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

1、<p><b>　　Z S T U</b></p><p>　　Zhejiang Sci-Tech University</p><p>　　專 科 畢 業(yè) 設(shè) 計</p><p>　　Bachelor’S THESIS</p><p>　　論文題目:

2、基于ARM的智能控制最小系統(tǒng) </p><p>　　專業(yè)班級： </p><p>　　姓名學(xué)號： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　遞交日期

3、： </p><p><b>　　畢業(yè)設(shè)計誠信聲明</b></p><p>　　我謹在此保證：本人所做的畢業(yè)設(shè)計，凡引用他人的研究成果均已在參考文獻或注釋中列出。設(shè)計說明書與圖紙均由本人獨立完成，沒有抄襲、剽竊他人已經(jīng)發(fā)表或未發(fā)表的研究成果行為。如出現(xiàn)以上違反知識產(chǎn)權(quán)的情況，本人愿意承擔(dān)相應(yīng)的責(zé)任。</p><p

4、><b>　　聲明人（簽名）： </b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。嵌入式處理器的應(yīng)用量遠遠超過了通用處理器，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)進入了—個全新的時期。在嵌入式應(yīng)用中，ARM微處理器深受廠家的歡迎。A

5、RM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，在將來一段時間內(nèi)，ARM微處理器仍將主宰32位嵌入式微處理器市場。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)進行了設(shè)計。此次設(shè)計選用的芯片是LPC2378，利用ARM新能高、能耗省、資源豐富具有較強的事務(wù)管理功

6、能等特點，進行了就最小系統(tǒng)的硬件和軟件的構(gòu)建。</p><p>　　硬件方面就最小系統(tǒng)方面進行了電源模塊，復(fù)位電路模塊，JTAG電路模塊，存儲器模塊，時鐘電路模塊進行了設(shè)計，此外就鍵盤和顯示屏進行了補充設(shè)計。</p><p>　　軟件方面主要介紹了uC/OS-II。本文簡單的介紹了uC/OS-II的概述和內(nèi)核分析。同時移植了uC/OS-II作為系統(tǒng)的軟件平臺，編寫了啟動與移植相關(guān)代碼。uC

7、/OS-II作為開源的嵌入式實時操作系統(tǒng)，擁有極為精簡的內(nèi)核和出色的實時性與可靠性，作為控制單元的操作系統(tǒng)平臺對任務(wù)進行管理與調(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></p><p>　　W

8、ith 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 equipment almost all around

9、 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 consumption the ARM microprocessor

10、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 ARM LPC2378, which has high

11、energy consumption, new can provinces, rich resources has strong affairs management function characteristics, we designed the smallest system hardware and software construction.</p><p>　　The Hardware design

12、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><p>　　Software mainly in

13、troduced 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 startup and transplantation

14、 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 platform and operation manageme

15、nt 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></p><p><b

16、>　　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介1</p><p>　　

17、1.2.1單片機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><p>　　1.3 ARM的特點

18、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7</p><p>　　2.1.3

19、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>　　2.4 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢11</p>

20、<p>　　第三章 最小系統(tǒng)的硬件設(shè)計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 時鐘單元14</p><p>　　3.3.1 內(nèi)部RC振蕩器14</p><p>　　3.3.2

21、 主振蕩器15</p><p>　　3.3.3 RTC振蕩器15</p><p>　　3.4 儲存單元15</p><p>　　3.4.1 片內(nèi)Flash存儲器系統(tǒng)16</p><p>　　3.4.2 片內(nèi)靜態(tài)RAM16</p><p>　　3.4.3 外部存儲器16</p><p>

22、;　　3.5 復(fù)位電路模塊17</p><p>　　3.6 JTAG電路模塊17</p><p>　　3.7 鍵盤和顯示器設(shè)計18</p><p>　　3.7.1 鍵盤18</p><p>　　3.7.2 圖形液晶20</p><p>　　第四章 最小系統(tǒng)的軟件設(shè)計21</p><p&g

23、t;　　4.1 嵌入式操作系統(tǒng)與uC/OS-II21</p><p>　　4.1.1 嵌入式實時操作系統(tǒng)的特點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)27</p><p>　　

24、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 uC/OS-II的移植內(nèi)容31</p>

25、<p>　　第五章 總結(jié)與展望38</p><p><b>　　參考文獻40</b></p><p><b>　　致謝42</b></p><p><b>　　附錄43</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b></

26、p><p>　　1.1課題研究的背景</p><p>　　當(dāng)今社會，嵌入式系統(tǒng)高端發(fā)展迅速，ARM最小系統(tǒng)的研究對于高端技術(shù)的發(fā)展有著重要的意義。開發(fā)提高ARM最小系統(tǒng)顯得尤為重要。它的性能好壞關(guān)系到高端開發(fā)的很多性能。所以，做好最小系統(tǒng)的研究是對于ARM學(xué)習(xí)的第一步也是最重要的一步。</p><p>　　ARM主要是ARM公司自1990年正式成立以來，在32位RISC

27、（Reduced Instruction Set Computer）CPU開發(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，直以IP（Intelligence Property）提供者的身份向各大半導(dǎo)體制造商出售知識產(chǎn)權(quán)，而自己從不介入芯片的生產(chǎn)銷售，加上其設(shè)計的芯核具有功耗低、成本低等顯著優(yōu)點，因此獲得眾多的半導(dǎo)體廠家和整機廠商的大力支持，在32位嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域獲得了巨大的成功，目前已經(jīng)占有75%以上32位R

28、ISC嵌入式產(chǎn)品市場。在低功耗、低成本的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域確立了市場領(lǐng)導(dǎo)地位。</p><p>　　ARM的最小系統(tǒng)的研究現(xiàn)在還處在研究改進階段。為了更好的為高端系統(tǒng)提供好的運作平臺和良好性能功底，ARM最小系統(tǒng)還在更進一步的完善中。ARM的各個型號也都在不斷的完善，力求做到最好。ARM芯片的種類以及開發(fā)研究也得到越來越多人的關(guān)注。目前非常流行的有ARM7TDMI，StrongARM，ARM720T，ARM9TDMI

29、，ARM922T，ARM940T，RM946T，ARM966T，ARM10TDMI等。此外，ARM芯片還獲得了許多實時操作系統(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、生產(chǎn)ARM芯片的國際大公司已經(jīng)超過50多家，我國中興通訊和華為通訊等公司已經(jīng)購買ARM公司芯核用于通訊專用芯片的

30、設(shè)計[1]。</p><p>　　1.2目前主流的微處理器的簡介</p><p><b>　　1.2.1單片機</b></p><p>　?。?）51系列單片機</p><p>　　51單片機目前已有多種型號，8031/8051/8751是Intel公司早期的產(chǎn)品，而 ATMEL公司的AT89C51、AT89S52則更實

31、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)上將一些功能精簡掉后形成的精簡版。而市場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</p><p>　　在全球都可以看到PIC單片

32、機從電腦的外設(shè)、家電控制、電訊通信、智能儀器、汽車電子到金融電子各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。PIC系列單片機又分：基本級系列，如PIC16C5X，適用于各種對成本要求嚴(yán)格的家電產(chǎn)品選用；中級系列，如PIC12C6XX，該級產(chǎn)品其性能很高，如內(nèi)部帶有A/D變換器、E2PROM數(shù)據(jù)存儲器、比較器輸出、PWM輸出、I2C和SPI等接口；PIC中級系列產(chǎn)品適用于各種高、中和低檔的電子產(chǎn)品的設(shè)計中的高級系列，如PIC17CXX 具有豐富的I/O控制功能，

33、并可外接擴展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</p><p>　　AVR單片機是1997年由ATMEL公司研發(fā)出的增強型內(nèi)置Flash的RISC（Reduced Instruction Set CPU）精簡指令集高速8位單片機。AVR的單片機可以廣泛應(yīng)用于計算機外部設(shè)備、工業(yè)實時控制、儀器儀表、通訊設(shè)備、家用電器等各個領(lǐng)域[2

34、]。</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)展出來的器件，相對而言規(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)計方法是借助集成開發(fā)軟件平臺，用原理圖、硬件描述語言等方法，生成

35、相應(yīng)的目標(biāo)文件，通過下載電纜（“在系統(tǒng)”編程）將代碼傳送到目標(biāo)芯片中，實現(xiàn)設(shè)計的數(shù)字系統(tǒng)。</p><p>　　許多公司如今都開發(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）、Xilinx XC95108 （PLCC84）[3]。<

36、/p><p>　　FPGA是英文Field－Programmable Gate Array的縮寫，即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進一步發(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電路數(shù)有限的缺點。</p><p>　　目前FPGA的品種很多，有XILINX的XC系列、TI公司

37、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）是一種獨特的微處理器，是以數(shù)字信號來處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號，轉(zhuǎn)換為0或1的數(shù)字信號，再對數(shù)字信號進行修改、刪除、強化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字數(shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)

38、據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實時運行速度可達每秒數(shù)以千萬條復(fù)雜指令程序，遠遠超過通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強大數(shù)據(jù)處理能力和高運行速度，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]。</p><p><b&

39、gt;　　1.2.4 ARM</b></p><p>　　ARM 即Advanced RISC Machines的縮寫是對一類微處理器的通稱。ARM同時還是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)，設(shè)計了大量高性能、廉價、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。適用于多種領(lǐng)域，比如嵌入控制、消費/教育類多媒體、DSP和移動式應(yīng)用等[6]。</p><p>

40、;　　目前ARM的主流分以下幾類：</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>　　ARM9E Nintendo DS，Nokia N-G

41、ageConexant 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><p>　　1.2.5 MIPS</p&

42、gt;<p>　　MIPS是世界上很流行的一種RISC處理器。MIPS的意思是“無內(nèi)部互鎖流水級的微處理器”（Microprocessor without interlocked piped stages），其機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)的研究小組研制出來的。MIPS公司的R系列就是在此基礎(chǔ)上

43、開發(fā)的RISC工業(yè)產(chǎn)品的微處理器。這些系列產(chǎn)品為很多計算機公司采用構(gòu)成各種工作站和計算機系統(tǒng)。</p><p>　　2000年，MIPS公司發(fā)布了針對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）而設(shè)計的高性能、低電壓 32位MIPS RISC 內(nèi)核

44、。</p><p>　　MIPS 64 20Kc的浮點能力強，可以組成不同的系統(tǒng)，從一個處理器的Octane工作站到64個處理器的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400MHz。</p><p><b>　　1.2.6 PPC</b></p>&l

45、t;p>　　PowerPC 是一種精簡指令集（RISC）架構(gòu)的中央處理器（CPU），其基本的設(shè)計源自IBM（國際商用機器公司）的POWER（Performance Optimized With Enhanced） RISC；《IBM Connect 電子報》2007年8月號譯為“增強RISC性能優(yōu)化”架構(gòu)。二十世紀(jì)九十年代，IBM（國際商用機器公司）、Apple（蘋果公司）和Motorola（摩托羅拉）公司開發(fā)PowerPC芯片成

46、功，并制造出基于PowerPC的多處理器計算機。PowerPC架構(gòu)的特點是可伸縮性好、方便靈活。</p><p>　　PowerPC 處理器有非常強的嵌入式表現(xiàn)，因為它具有優(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“臺式機”CPU 存在非常顯著的區(qū)別。例如，4xx 系列 PowerPC 處理器缺乏浮點運算，并且還使用一個受軟件控制的 TLB 進行內(nèi)存管

47、理，而不是象臺式機芯片中那樣采用反轉(zhuǎn)頁表[7]。</p><p>　　1.3 ARM的特點</p><p>　　ARM公司于1990年11月在英國劍橋成立，是專門從事基于RISC技術(shù)芯片設(shè)計開發(fā)的公司。作為嵌入式RISC處理器的知識產(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ARM公司購買其設(shè)計的ARM微處理器核，根據(jù)各自不同的

48、應(yīng)用領(lǐng)域，在處理器核的基礎(chǔ)上進行再設(shè)計，嵌入各種外圍和處理部件，從而形成自己的ARM微處理器芯片進入市場。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，又使整個系統(tǒng)成本降低，使產(chǎn)品更容易進入市場被消費者所接受，更具有競爭力。</p><p>　　ARM處理器的三大特點是：

49、耗電少功能強、16位/32位雙指令集和眾多合作伙伴。ARM商品模式的強大之處在于它在世界范圍有超過100個的合作伙伴。ARM是設(shè)計公司，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)運算指令集；Jazeller允許直接執(zhí)行Java字節(jié)碼。</p><p>　　A

50、RM處理器系列提供的解決方案有：無線、消費類電子和圖像應(yīng)用的開放平臺；存儲、自動化、工業(yè)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的嵌入式實時系統(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，但也配備16位指令集。一般來講存儲器比等價32位代碼節(jié)省達35％，然而保留了32位系統(tǒng)的所有優(yōu)勢[8]。</p><p><b>　　1.4研究的意義</b></p&g

51、t;<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)勢廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、PDA、移動通信、路由器等領(lǐng)域。利用ARM新能高、能耗省、資源豐富具有較強的事務(wù)管理功能等特點，設(shè)計應(yīng)用于智能控制系統(tǒng)的ARM最小系統(tǒng)模塊進行系統(tǒng)通信、后臺管理、界面顯示、等功能，可以運行操作系統(tǒng)等應(yīng)用程序。隨著嵌入式相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展

52、，嵌入式系統(tǒng)的功能越來越強大，應(yīng)用接口更加豐富，根據(jù)實際應(yīng)用的需要設(shè)計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)是不同于常見計算機系統(tǒng)的一種計算機系統(tǒng)，它不以獨立設(shè)備的物理形態(tài)出現(xiàn)，即它沒有一個統(tǒng)一的外觀，它的部件根據(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

53、算、處理、存儲以及控制的作用。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或微處理器；支撐硬件主要包括存儲介質(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、特點及組成</p><p>　　2.1.1嵌入式系統(tǒng)的定義</p>

54、<p>　　嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件均可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計算機系統(tǒng)。高實時性使嵌入式系統(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)試將先進的計算機技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)和各個行業(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、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應(yīng)用程序四個部分組成，用于實現(xiàn)對其

55、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)境運行的基礎(chǔ)，它提供了嵌入式系統(tǒng)軟件運行的物理平臺和通信接口；嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式軟件則是整個系統(tǒng)的控制核心，控制整個系統(tǒng)的運行，提供人機交互的信息等。整個嵌入式系統(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</p><p>　　嵌入式系統(tǒng)是將先進的計算機技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電

56、子技術(shù)與各個行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物。概括起來，嵌入式系統(tǒng)有以下幾個特點。</p><p>　　（1）嵌入式系統(tǒng)無所不在</p><p>　　嵌入式技術(shù)廣泛應(yīng)用于自動控制、通訊、儀器、儀表、汽車、船舶、航空、航天、軍事、消費等各個領(lǐng)域。嵌入式系統(tǒng)幾乎存在于我們周圍各種電器設(shè)備中，在數(shù)量上遠遠超過了各種通用計算機。</p><p>　?。?）嵌入式系統(tǒng)是完成專用功

57、能的最小系統(tǒng)</p><p>　　嵌入式系統(tǒng)不僅和通常PC機上的應(yīng)用系統(tǒng)不同，就是針對不同的具體應(yīng)用而設(shè)計的嵌入式系統(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，力爭以最小系統(tǒng)達到最高性能。</p><p>　?。?）嵌入式系統(tǒng)對軟件的要求</p><p&

58、gt;　　由于嵌入式產(chǎn)品要求體積小、成本低，一般不具有硬盤等大容量存儲設(shè)備，嵌入式系統(tǒng)軟件一般固化在容量較小的Flash存儲器中。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)還要求軟件具有實時處理能力。</p><p>　?。?）嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境和開發(fā)工具</p><p>　　由于嵌入式系統(tǒng)自身沒有足夠的資源，不具備自主開發(fā)能力，所以一般嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)模式是作為目標(biāo)機的嵌入式系統(tǒng)

59、與作為宿主機的主機相連接，構(gòu)成交叉開發(fā)環(huán)境。另外，還需要編譯器、鏈接器等作為開發(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)也是計算機系統(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）、存儲器以及輸入/輸出手段。它要求軟硬件結(jié)合，并融為一

60、體而成為產(chǎn)品。芯片加軟件就成為產(chǎn)品但要有相應(yīng)的開發(fā)工具輔助進行開發(fā)。</p><p>　　嵌入式系統(tǒng)是面向應(yīng)用、面向產(chǎn)品的（與桌面計算機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，全世界嵌入式處理器已經(jīng)超過1000種，流行的體系結(jié)構(gòu)有30多個

61、系列。在手機、PDA行業(yè)，大部分采用ARM核結(jié)構(gòu)為主。把嵌入式計算機分為下面幾類：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、鍵盤控制、串行口、并口、網(wǎng)口、A/D和PCI總線等。</p><p>&

62、lt;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，以計算機技術(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)無多余軟件并且軟件一般固化在ROM或FLAH芯片上，硬件也無多余RAM存儲容量，具有要求系統(tǒng)運行可靠性高、成本低、體積小和功耗少等特點。在嵌入式系統(tǒng)中，采用OS的嵌入式系統(tǒng)一般都是任務(wù)相對復(fù)雜，CPU數(shù)據(jù)長度為16/32/64

63、位的高檔微控制器，有實時性要求。而4/8/16位的單片機系統(tǒng)，一般均無OS要求，控制和編程相對簡單[11]。</p><p>　　2.2嵌入式操作系統(tǒng)的種類</p><p>　　嵌入式操作系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)用對象不同，大體分成下列幾類：</p><p>　?。?）基于Windows兼容的：嵌入式Linux、WindowsCE、EPOC等；</p><p&

64、gt;　?。?）工業(yè)與通信類：VxWorks、PSON、QNX、VRTX、Neculeus等；</p><p>　　（3）單片機類：iRMX、CMX、MC/OS等；</p><p>　?。?）面向Intenet類：Palm OS、Visor、Hopem、PPSM等。</p><p>　　從操作系統(tǒng)的本身特性來說，嵌入式操作系統(tǒng)可以分為兩類，一類是面向控制、通信等領(lǐng)域

65、的實時操作系統(tǒng)，如WinDrive公司的VxWorks、ISI的pSOS、QNX系統(tǒng)軟件公司的QNX、ATI的Neculeus等；另一類是面向消費電子產(chǎn)品的非實時操作系統(tǒng)，這類產(chǎn)品包括個人數(shù)字助理、移動電話、機頂盒、電子書、WebPhone等。這里重點介紹一下工業(yè)控制領(lǐng)域常用的實時操作系統(tǒng)[12]。</p><p>　　實時系統(tǒng)是指能在確定的時間內(nèi)執(zhí)行其功能并對外部的異步事件做出響應(yīng)的計算機系統(tǒng)。其操作的正確性不

66、僅依賴于邏輯設(shè)計的正確程度，而且與操作進行的時間有關(guān)?！霸诖_定的時間內(nèi)”是該定義的核心。也就是說，實時系統(tǒng)是對響應(yīng)時間有嚴(yán)格要求的。在這些場合，如果邏輯和時序出現(xiàn)偏差將會引起嚴(yán)重后果。</p><p>　　實時系統(tǒng)有兩種類型：軟實時系統(tǒng)和硬實時系統(tǒng)。軟實時系統(tǒng)僅要求事件響應(yīng)是實時的，并不要求限定某一任務(wù)必須在多長時間內(nèi)完成；而在硬實時系統(tǒng)中，不僅要求任務(wù)響應(yīng)要實時，而且要求在規(guī)定的時間內(nèi)完成事件的處理。通常，大多

67、數(shù)實時系統(tǒng)是兩者的結(jié)合。</p><p>　　實時操作系統(tǒng)可分為可搶占型和不可搶占型兩類。</p><p>　　對于基于優(yōu)先級的系統(tǒng)而言，可搶占型實時操作系統(tǒng)是指內(nèi)核可以搶占正在運行任務(wù)的CPU使用權(quán)并將使用權(quán)交給進入就緒態(tài)的優(yōu)先級更高的任務(wù)。不可搶占型實時操作系統(tǒng)使用某種算法并決定讓某個任務(wù)運行后，就把CPU的控制權(quán)完全交給了該任務(wù)，直到它主動將CPU控制權(quán)還回來。</p>

68、<p>　　實時操作系統(tǒng)主要用于對系統(tǒng)時間由嚴(yán)格要求的場合，如航空航天以及對時間有嚴(yán)格要求的工業(yè)控制場所。一般家用和消費類產(chǎn)品，對實時性的要求一般不高，可以采用非實時性的操作系統(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>　　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

69、和控制等核心功能。具有內(nèi)核較精簡、可配置、與高層應(yīng)用緊密關(guān)聯(lián)等特點。嵌入式操作系統(tǒng)具有相對不變性。嵌入式操作系統(tǒng)具有一下特點。</p><p><b>　　（1）體積小</b></p><p>　　嵌入式系統(tǒng)有別于一般的計算機處理系統(tǒng)，它不具備像硬盤那樣大容量的存儲介質(zhì)，而大多使用閃存（Flash Memory）作為存儲介質(zhì)。這就要求嵌入式系統(tǒng)只能運行在有限的內(nèi)存中，

70、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>　?。?）實時性</b></p><p>　　大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)都是實時系統(tǒng)，而且多是強實時多任務(wù)系統(tǒng)，要求相應(yīng)的嵌入式操作系統(tǒng)也必須是實時操作系統(tǒng)（RTOS）。實時操作系統(tǒng)作為操作系統(tǒng)的一個重要分支已成為研究的一個熱點，主要探討實時多任務(wù)調(diào)度算法和可調(diào)度性、死

71、鎖解除等問題。</p><p>　?。?）特殊的開發(fā)調(diào)試環(huán)境</p><p>　　提供完整的集成開發(fā)環(huán)境是每一個嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員所期待的。一個完整的嵌入式系統(tǒng)的集成開發(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發(fā)平臺。其中的集成圖形界面開發(fā)平臺包括編輯器、調(diào)試器、軟件仿真器和監(jiān)視器等[14]。</p><p>　　2.3.2嵌入式系統(tǒng)應(yīng)

72、用</p><p>　　嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用是以嵌入式系統(tǒng)硬件平臺的搭建、嵌入式操作系統(tǒng)的成功移植和運行為前提的，這一部分運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)計不同的嵌入式應(yīng)用程序。</p><p>　　如何簡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)展中所必須解決的關(guān)鍵問題。經(jīng)過不斷地發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)原

73、有的3層結(jié)構(gòu)逐步演化成為一種4層結(jié)構(gòu)。這個新增加的中間層次叫硬件抽象層，有時也叫板級支持包，是一個介于硬件于軟件之間的中間層次。硬件抽象層通過特定的上層接口與操作系統(tǒng)進行交互，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</p><p>　?。?）提供強大的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)</p><p&

74、gt;　　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)（如防盜報警、燈光能源控制、影視設(shè)備和信息終端交換信息）及實驗現(xiàn)場儀器的協(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通信接口，同時也需要提供相應(yīng)的通信組網(wǎng)協(xié)議軟件和物理層

75、驅(qū)動軟件。為了支持應(yīng)用軟件的特定編程模式，如Web或無線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)提高了對嵌入式軟件設(shè)計技術(shù)要求。如，選用最佳的編程模型和不斷改進算法，采用Java編程模式，優(yōu)化編譯器性能。因此

76、，既要軟件人員有豐富經(jīng)驗，更需要發(fā)展先進嵌入式軟件技術(shù)，如Java、Web或WAP等。</p><p>　?。?）人性化的人機界面</p><p>　　嵌入式設(shè)備之所以為億萬用戶樂于接受，重要因素之一是它們與使用者之間的親和力，自然的人機交互界面，如司機操縱高度自動化的汽車主要還是通過習(xí)慣的方向盤、腳踏板和操縱桿。人們與信息終端交互要求以GUI屏幕為中心的多媒體界面。手寫文字輸入、語音撥號

77、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。目前一些先進的PDA在顯示屏幕上已實現(xiàn)漢字寫入、短消息語音發(fā)布，但離掌式語言同步聲翻譯還有很大距離。</p><p>　　（4）完善的開發(fā)平臺</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)用項目多種多樣，像電話手機、電話座機及電冰箱、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

78、為復(fù)雜。為了滿足應(yīng)用功能的升級，設(shè)計師們一方面采用更強大的嵌入式處理器如32位、64位RISC芯片或信號處理器DSP增強處理能力；同時還采用實時多任務(wù)編程技術(shù)和交叉開發(fā)工具技術(shù)來控制功能復(fù)雜性，簡化應(yīng)用程序設(shè)計、保障軟件質(zhì)量和縮短開發(fā)周期[16]。</p><p>　　第三章 最小系統(tǒng)的硬件設(shè)計</p><p>　　3.1最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及框圖</p><p>　　最小

79、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，同時系統(tǒng)對電源質(zhì)量的要求較高，而其功率消耗不是很大，所以不宜選擇開關(guān)電源，而選擇低壓模擬電源。故選用電源

80、電壓調(diào)節(jié)器為LM2576。 LM2576是降壓型開關(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 的負載驅(qū)動能力，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熱片。在規(guī)定的輸入電壓和輸出負載的條件下，LM257

81、6 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％；典型的待機電流為50μA，芯片內(nèi)置過流保護電路和過熱保護電路。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>　　然后是對模擬電源器件的選擇。這次選擇的是Sipex半導(dǎo)體SPX1117。SPX1117的性價比比較高，具有很好的可擴展性，可與許多產(chǎn)品

82、直接連接。SPX1117為一個低功耗正向電壓調(diào)節(jié)器，可以用在一些高效率、小封裝的低功耗設(shè)計中。當(dāng)輸出電流減少時，靜態(tài)電流隨負載變化，并提高效率。同時使用10uF的輸出電容來保證穩(wěn)定性。</p><p>　　SPX1117具有以下特點：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）；低靜態(tài)電流；0.8A時低壓差為1.1V；0.1%線

83、性調(diào)整率/0.2%負載調(diào)整率；2.2uF陶瓷電容即可保持穩(wěn)定；過流及溫度保護；多封裝：SOT-223，TO-252，TO-220及TO-263（現(xiàn)已提供無鉛封裝）。</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時鐘單元</b></p><

84、p>　　LPC2300包括3個獨立的振蕩器，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）可以用作看門狗定時器的時鐘源，和/或用作驅(qū)動PLL以及CPU的時鐘。IRC的精度不允許使用USB接口（USB 接口需要一個更精確的時間基準(zhǔn)），標(biāo)

85、稱的IRC頻率為4MHz。 在上電或任何芯片復(fù)位時，LPC2300 使用IRC作為時鐘源。軟件以后可切換為另一種可用的時鐘源。 </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的時鐘源。主振蕩器在1MHz～24MHz的頻率下操作。該頻率可通過PLL來提高，其值可高達CPU操作頻率的最大值。振蕩器輸出稱為OSCCLK。PLLC

86、LKIN選擇用作PLL輸入的時鐘，為了便于頻率等式的書寫及本文檔的描述，ARM處理器時鐘頻率稱為CCLK。</p><p>　　3.3.3 RTC振蕩器 </p><p>　　RTC振蕩器可用作RTC，和/或看門狗定時器的時鐘源。同時，RTC振蕩器也可用于驅(qū)動PLL和CPU。 </p><p>　　此次系統(tǒng)同時采用有源晶振和無源晶振。無源晶振我們選用XO53-NEG

87、TC-12M。</p><p>　　XO53-NEGTC-12M的特點：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??；盤帶包裝[18]。</p><p>　　時鐘單元電路如圖3-4所示。</p><p>　　圖3-4 時鐘單元電路原理圖</p><p><b>　　3.

88、4儲存單元</b></p><p>　　3.4.1片內(nèi)Flash存儲器系統(tǒng)</p><p>　　LPC2378包含了一個高達512kB的Flash存儲器系統(tǒng)，該存儲器可用于代碼和數(shù)據(jù)存儲。Flash存儲器編程可以通過幾種方法來實現(xiàn)?？梢酝ㄟ^串行端口進行在系統(tǒng)編程。當(dāng)正在運行時，應(yīng)用程序可以對Flash進行擦除和/或編程，從而為數(shù)據(jù)存儲和現(xiàn)場固件升級等帶來了極大的靈活性。Flas

89、h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32kB大小的靜態(tài)RAM存儲器，可用于代碼和/或數(shù)據(jù)存儲。SRAM控制器包含一個回寫緩沖區(qū)，它用于防止CPU在連續(xù)的寫操作時停止運行?；貙懢彌_區(qū)總是保存著軟件發(fā)送到SRAM的最后數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)只有在軟件執(zhí)行另外一次寫操作時被寫

90、入SRAM。在一次“熱”芯片復(fù)位后，SRAM不會反映最后一次寫入的內(nèi)容。通過對一個單元執(zhí)行兩次相同的寫操作可保證復(fù)位后數(shù)據(jù)的寫入?；蛘?，也可通過在進入空閑或掉電模式前執(zhí)行虛寫（dummy write）操作來保證最后的數(shù)據(jù)在復(fù)位后被寫入到SRAM。</p><p>　　3.4.3外部存儲器</p><p>　　此次設(shè)計我們選用的外部存儲器是由SST公司生產(chǎn)的SST25VF016B。它屬于串行

91、Flash。串行Flash是用串行接口進行連續(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更少的連線在一個系統(tǒng)中傳送數(shù)據(jù)。對于引腳數(shù)目少的串行flash來講它的優(yōu)勢是減少了系統(tǒng)板的空間、功耗和成本。對于容量在512Kbit到16Mbit的25系列串行flash來講，它具有SPI接口和與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的SPI串行EEPROM器件引腳對引腳硬件兼容的特點。</p><p>　　SS

92、T25VF016B的重要特征如下：操作電壓：2.7-3.6V或者3.0-3.6V讀和寫操作；4線串行接口結(jié)構(gòu)；具有wrap-around特點的連續(xù)字節(jié)讀操作；低功耗：7mA（典型）；待機：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）；最大操作時鐘頻率可達50MHz；對于快速計算有自動地址累加（A

93、AI）編程；通過WP#引腳可實現(xiàn)硬件寫保護[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><p>　　該電路主要完成系統(tǒng)的上電復(fù)位

94、和系統(tǒng)運行時用戶的按鍵復(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個手動復(fù)位輸入引腳和2個復(fù)位輸出引腳（高電平有效引腳和低電平有效引腳各1個），可以滿足不同復(fù)位信號的要求。</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</p><p>　　3.6

95、JTAG電路模塊</p><p>　　JTAG是英文Joint Test Action Group（聯(lián)合測試行為組織）的詞頭字母的簡寫，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測試標(biāo)準(zhǔn)。JTAG 建議于1990 年被IEEE 批準(zhǔn)為IEEE1149.1-1990 測試訪問端口和邊界掃描結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了進行邊界掃描所需要的硬件和軟件。自從1990 年批準(zhǔn)后，IEEE 分別于19

96、93 年和1995 年對該標(biāo)準(zhǔn)作了補充，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)合測試行動小組）也是一種國際標(biāo)準(zhǔn)測試協(xié)議，主要用于芯片內(nèi)部測試及對系統(tǒng)進行仿真、調(diào)試，JTAG技術(shù)是一種嵌入式測試技術(shù)。通過JTAG接口可對

97、芯片內(nèi)部的所有部件進行訪問，是開發(fā)調(diào)試嵌入式系統(tǒng)的一種簡潔高效的手段。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鍵盤和顯示器設(shè)計</p><p><b>　　3.7

98、.1鍵盤</b></p><p>　　在ARM應(yīng)用系統(tǒng)中，鍵盤掃描只是ARM的工作之一，ARM在忙于各項工作任務(wù)時，如何兼顧鍵盤的輸入，則取決于鍵盤的工作方式。獨立式鍵接口設(shè)計優(yōu)點是電路配置靈活，軟件實現(xiàn)簡單。但缺點也很明顯，每個按鍵要占用一根口線，若按鍵數(shù)量較多，資源浪費將比較嚴(yán)重。這方式的按鍵接口由行線和列線組成，按鍵位于行、列的交叉點上。這種方式的點就是相對于獨立接口方式可以節(jié)省很多I/O資源，

99、相對于專用芯片鍵盤可以節(jié)成本，且更為靈活。缺點就是需要用軟件處理消抖、重鍵等。它的行線與按鍵一個引腳相連，列線與按鍵的另一個引腳相連[1]。</p><p>　　圖3-8 鍵盤電路原理圖</p><p>　　實現(xiàn)的系統(tǒng)硬件構(gòu)成為4×4的行列式鍵盤，如圖3.8所示。行線通過一個電阻上拉到VCC，行線與按鍵的一個引腳相連，列線與按鍵的另一個引腳相連。平列線被置成低電平，沒有按鍵被按

100、下時，行線保持高電平；而有按鍵被按下時行線被拉成低電平，這時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，因此接下來就要進行鍵盤掃描，以確定具體是哪個按鍵按下。</p><p>　　鍵盤掃描的過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)裝入鍵碼寄存器，進行按鍵譯碼，得到按下的按鍵的相應(yīng)編碼這樣就完成

101、了按鍵掃描過程。當(dāng)然，一個完整的按鍵掃描過程還需要配合相應(yīng)鍵盤去抖動手段才能正確地識別按鍵，不會發(fā)生重鍵和錯誤判斷等情況。鍵盤描流程如圖3-9所示。</p><p>　　圖3-9 鍵盤掃描流程</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

102、射性，又具有液體的流動性。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)在電場中改變而調(diào)制外界光的被動型顯示器件。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、無輻射、體積小等特點，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)動控制功能，則可以直接對點陣式液晶顯示屏進行連接控制；如果微控制器本身沒有液晶驅(qū)動控制功能，則需要外擴液晶驅(qū)

103、動板來連接液晶顯示屏，或者使用點陣式圖形液晶顯示模塊。點陣式圖形液晶顯示屏是LCD的一種，能夠動態(tài)顯示圖形、漢字以及各種符號信息，為各種電子產(chǎn)品提供了友好的人機界面。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>　　點陣式液晶模塊一般是采用并行接口進行數(shù)據(jù)傳送，此次設(shè)計我們選擇的是TG240128A。TG24

104、0128A的具體參數(shù)如下：顯示格式：240X128；型號TG240128A；外形尺寸（W*H*T）：144.0X104.0X13.0；視域尺寸：114.0X64.0；點尺寸：0.40X0.40；點間距：0.45X0.45；控制器：T6963C；背光類型：None，LED，CCFL。</p><p>　　TG240128A與LPC2378微控制器的接口電路如圖3-10所示。</p><p>

105、　　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</p><p>　　完成簡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系列單片機組成的小系統(tǒng)就只是利用軟件實現(xiàn)簡單的控制環(huán)路。像這類邏輯比較簡單的系統(tǒng)，采用沒有內(nèi)核的方式，此時嵌入式功能軟件系統(tǒng)模塊由一個大的循環(huán)組成，每次中斷打斷這個循環(huán)時，讀出并傳遞設(shè)備中的信息在中斷

106、退出后恢復(fù)循環(huán)的運行；而循環(huán)則在每次單項處理結(jié)束后查看是否收到需要處理的新設(shè)備信息。簡單的應(yīng)用可以這樣構(gòu)造，但稍微復(fù)雜的情況下這種前后臺系統(tǒng)的邏輯復(fù)雜程度就會呈幾何級數(shù)增長，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時代的來臨，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計日趨復(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)勢在于，它提高了開發(fā)效率，縮短了開發(fā)周期，復(fù)雜的應(yīng)用程序可分為多個任務(wù)

107、模塊。ARM的運行速度大大高于8、16位的CPU，而且本來就是為運行多用戶、多任務(wù)操作系統(tǒng)而設(shè)計的，特別適于運行多任務(wù)實時系統(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，過去它主要應(yīng)用于工業(yè)控制和國防系統(tǒng)領(lǐng)域。EOS負責(zé)嵌入式系統(tǒng)的全部軟、硬件

108、資源的分配、調(diào)度工作，控制協(xié)調(diào)并發(fā)活動；它必須體現(xiàn)其所在系統(tǒng)的特征，能夠通過裝卸某些模塊來達到系統(tǒng)所要求的功能。</p><p>　　在嵌入式實時操作系統(tǒng)環(huán)境下開發(fā)實時應(yīng)用程序使程序的設(shè)計和擴展變得容易，不需要大的改動就可以增加新的功能。通過將應(yīng)用程序分割成若干獨立的任務(wù)模塊，使應(yīng)用程序的設(shè)計過程大為簡化；而且對實時性要求苛刻的事件都得到了快速、可靠的處理。通過有效的系統(tǒng)服務(wù)，嵌入式實時操作系統(tǒng)使得系統(tǒng)資源得到更