【正文】 ................................................................. 37 安徽新華學(xué)院《嵌入式系統(tǒng)開發(fā)》課程設(shè)計(jì) 1 1 綜述 嵌入式系統(tǒng)一般指非 PC 系統(tǒng)，有計(jì)算機(jī)功能但又不稱之為計(jì)算機(jī)的設(shè)備或器材。它是以應(yīng)用為中心，軟硬件可裁減的，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應(yīng)用程序等 4個部分組成，它是集軟硬件于一體的可獨(dú)立工作的 器件 。 嵌入式系統(tǒng)簡介 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電 子技術(shù)的迅速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用 領(lǐng)域越來越廣泛。當(dāng)今，嵌入式系統(tǒng)已成為一個時髦的名詞，就像當(dāng)初的計(jì)算機(jī)熱潮，似乎比當(dāng)初的計(jì)算機(jī)熱潮涉及的領(lǐng)域更廣泛，應(yīng)用技術(shù)人員更多，相關(guān)國民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值也更龐大。報(bào)紙、雜志、網(wǎng)絡(luò)都把嵌入式系統(tǒng)當(dāng)作討論的熱門話題 [1]。嵌入式系統(tǒng)的軟件部分包括操作系統(tǒng)軟件 (要求實(shí)時和多任務(wù)操作 )和應(yīng)用程序編程。操作系統(tǒng)控制著應(yīng)用程序編程與硬件的交互作用，而應(yīng)用程序控制著系統(tǒng)的運(yùn)作和行為 。 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) )極為重要的組成部分， 通常包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動接口、通信協(xié) 議、圖形界面、標(biāo)準(zhǔn)化瀏覽器等。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越復(fù)雜的系統(tǒng)資源；能夠把硬件虛擬化，使得開發(fā)人員從繁忙的驅(qū)動程序移植和維護(hù)中解脫出來；能夠提供庫函數(shù)、驅(qū)動程序、工具集以及應(yīng)用程序。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)。 嵌入式開發(fā)環(huán)境 一個嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境一般包括嵌入式目標(biāo)板、開發(fā)用的宿主 PC 機(jī)和硬件 調(diào)試器，他們之間通過串口、 JTAG 或 BDM 等調(diào)試接口和網(wǎng)絡(luò)等接口互相連接。其中，嵌入式軟件系統(tǒng)運(yùn)行于嵌入式目標(biāo)板上，這些軟件所對應(yīng)的程序開發(fā)安徽新華學(xué)院《嵌入式系統(tǒng)開發(fā)》課程設(shè)計(jì) 2 和編譯在宿主機(jī)上運(yùn)行，程序的調(diào)試則由宿主機(jī)通過硬件調(diào)試器控制目標(biāo)機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的操作實(shí)現(xiàn)。在運(yùn)行嵌入式 Linux 的系統(tǒng)時，硬件調(diào)試器只在 Bootloader程序開發(fā)以及 Linux 內(nèi)核移植時有可能需要使用。應(yīng)用程序的開發(fā)通常是 Linux操作系統(tǒng)在嵌入式目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行起來之后進(jìn)行 [7]。此時，更多的是在宿主機(jī)上使用 GDB 通過網(wǎng)絡(luò)與目標(biāo)板通信，進(jìn)行程序的調(diào)試。也就是硬件調(diào)試器多在底 層軟件開發(fā)調(diào)試時使用，對于應(yīng)用程序的開發(fā)調(diào)試通常使用其他手段。嵌入式Linux 操作系統(tǒng)開發(fā)的第一步就是在宿主機(jī)上建立交叉開發(fā)所需的交叉編譯環(huán)境。交叉編譯環(huán)境的建立主要是在宿主機(jī)上安裝交叉編譯工具 Crossgcc。Crossgcc 工具鏈通常是使用別人已經(jīng)編譯好的交叉編譯的 GCC工具鏈。 在交叉編譯環(huán)境建立好之后，就可以在宿主機(jī)上利用交叉編譯環(huán)境構(gòu)造一個嵌入式 Linux 系統(tǒng)。 Linux 操作系統(tǒng)是由 Linux 內(nèi)核和應(yīng)用程序兩大部分組成。Linux 內(nèi)核的開發(fā)主要是根據(jù)實(shí)際的需要進(jìn)行內(nèi)核裁剪和配置，然后用交叉編譯器編譯生成內(nèi)核的二進(jìn)制文件映像。對于許多自行設(shè)計(jì)的嵌入式系統(tǒng)，內(nèi)核的開發(fā)還包括根據(jù)實(shí)際的硬件系統(tǒng)進(jìn)行內(nèi)核和外設(shè)驅(qū)動程序的移植開發(fā)。應(yīng)用程序 通常都放在 Linux 的根文件系統(tǒng)中。根文件系統(tǒng)主要存放了嵌入式的配置文件、設(shè)備文件、應(yīng)用程序、動態(tài)鏈接庫以及其他一些相關(guān)的程序和文件。通常最初的根文件系統(tǒng)只是一個基本的根文件系統(tǒng)，只包含了一些必要的系統(tǒng)支撐程序。 在宿主機(jī) PC 機(jī)上完成嵌入式 Linux 軟件系統(tǒng)的構(gòu)建之后，就在嵌入式硬件系統(tǒng)上測試、運(yùn)行構(gòu)造好的嵌入式 Linux 軟件系統(tǒng)。其中，測試工作需要在 宿主機(jī)上通過遠(yuǎn)程終端操控嵌入式開發(fā)板完成。通常在嵌入式開發(fā)板上存在一個內(nèi)核的引導(dǎo)加載程序，它用于硬件的初始化，給用戶提供一個操作界面，將嵌入式 Linux加載到內(nèi)存中運(yùn)行。除此之外，它對于嵌入式 Linux 系統(tǒng)的開發(fā)調(diào)試也起到很大的作用。一個基本的嵌入式 Linux 系統(tǒng)在目標(biāo)板上運(yùn)行起來之后，就要進(jìn)行程序移植開發(fā)和調(diào)試。 嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)的應(yīng)用 由于 Linux 具有對各種設(shè)備的廣泛支持性，因此，能方便地應(yīng)用在機(jī)頂盒、IA 設(shè)備、 PDA、掌上電腦、 WAP 手機(jī)、尋呼機(jī)、車載 盒以及工業(yè)控制等智能信息產(chǎn) 品中。 安徽新華學(xué)院《嵌入式系統(tǒng)開發(fā)》課程設(shè)計(jì) 3 2 搭建 平臺 要想進(jìn)行嵌入式開發(fā)，首先，必須搭建一套完整的嵌入式開發(fā)環(huán)境。本章 介紹了 在 windows+Vmware 虛擬機(jī)環(huán)境下嵌入式開發(fā)環(huán)境的搭建。 虛擬機(jī)概述 用 虛擬機(jī)軟件 ，你可以在一臺計(jì)算機(jī)上 使用多臺邏輯計(jì)算機(jī) ，這些 邏輯計(jì)算機(jī)可以安裝操作系統(tǒng)、安裝 應(yīng)用程序 、訪問 網(wǎng)絡(luò) 資源等等。 總的來說， 它只是運(yùn)行的一個應(yīng)用程序在物理計(jì)算機(jī)上，但是在 虛擬機(jī) 中運(yùn)行的應(yīng)用程序而言，它就是一臺真正 計(jì)算機(jī) 。因此，在虛擬機(jī)中進(jìn)行 軟件 應(yīng)用的時候 ，系統(tǒng) 也 一樣 有 崩潰的危險(xiǎn) ；但是，崩潰的只是虛擬機(jī)上的 邏輯計(jì)算機(jī) ，而不是物理計(jì)算機(jī)上的操作系統(tǒng) ，并且，使用虛擬機(jī)的 “Undo” （恢復(fù)）功能，你可以馬上 恢復(fù) 虛擬機(jī)到安裝 軟件 之前的狀態(tài) [7]。 如圖 所示。 圖 虛擬機(jī)界面 Linux 系統(tǒng) Linux 可用于多種硬件平臺。 Linux 是開源的軟件，代碼的修改維護(hù)由世界安徽新華學(xué)院《嵌入式系統(tǒng)開發(fā)》課程設(shè)計(jì) 4 各地的程序員進(jìn)行，因此 Linux 有可靠保證的應(yīng)用?？梢愿鶕?jù)需要進(jìn)行配置，不需要獲得任何的許可證，源代碼可以無償獲得。同時 Linux 網(wǎng)絡(luò)支持性良好，驅(qū)動程序采用模塊化設(shè)計(jì) ，開發(fā)過程中可動態(tài)調(diào)試驅(qū)動模塊，便于開發(fā)。有利于添加對新硬件的驅(qū)動支持。 Linux 是以內(nèi)核為基礎(chǔ)，通過虛擬文件系統(tǒng)支持對各類型物理介質(zhì)的硬件資源訪問。 Linux 系統(tǒng)提供了具有設(shè)備類的面向?qū)ο蟮脑O(shè)備模型、熱插拔事件，以及用戶空間的設(shè)備文件系統(tǒng)，使其更容易進(jìn)行新硬件設(shè)備的擴(kuò)展與驅(qū)動的開發(fā)應(yīng)用。 Linux 系統(tǒng)有完善的開發(fā)工具，用不同的交叉編譯工具，匹配不同的嵌入式處理器，建立嵌入式系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境是簡單快捷的。不僅如此， Linux 系統(tǒng)還繼承了 UNIX 穩(wěn)定并且有效率的特點(diǎn)，系統(tǒng)穩(wěn)定，能長期運(yùn)行而不會出現(xiàn)宕機(jī)的現(xiàn)象。 虛擬機(jī)安裝 Linux 系統(tǒng) 虛擬機(jī) vmware 下安裝 Linux 過程 ： 第一步 :啟動 VMware，在其主界面 “ 主頁 ” 標(biāo)簽頁中點(diǎn)擊 “ 新建 虛擬機(jī) ” 按鈕打開新建向?qū)?， 單擊 “ 下一步 ” 按鈕 ； 第二步 :在虛擬機(jī) 配置界面 中 有兩個選擇 :一是 “ 典型 ” 方式，它根據(jù)虛擬機(jī)的用途自動調(diào)整配置 。二是 “ 自定義 ” 方式，它允許用戶自行設(shè)置虛擬機(jī)的主要參數(shù)。 這里用 “ 典型 ” 方式 安裝，比較方便。 第三步 :單擊 “ 下一步 ” 按鈕進(jìn)入 虛擬機(jī) 操作系統(tǒng) 選擇界面，可以看到Windows、 Linux、 Novell 等多種不同的系統(tǒng)，這里我們點(diǎn)選 “Linux” 。 圖 系統(tǒng)界面 安徽新華學(xué)院《嵌入式系統(tǒng)開發(fā)》課程設(shè)計(jì) 5 圖 是安裝完成后的虛擬機(jī)啟動界面，我們這里使用的是 Fedora 系統(tǒng)，用戶為 root，密碼 123456，是在 有 權(quán)限下進(jìn)行操作。 超級終端的設(shè)定 (1) 打開超級終端輸入名稱 圖 超級終 端連接圖 圖 超級終端端口選擇圖 (2) 選擇端口，如果是臺式電腦就直接選擇 COM1，如果是筆記本電腦根據(jù)安徽新華學(xué)院《嵌入式系統(tǒng)開發(fā)》課程設(shè)計(jì) 6 實(shí)際情況選擇。 (3) 端口設(shè)置，每秒位數(shù) (B)選擇 115200，數(shù)據(jù)流控制 (F)選擇無。 圖 超級終端端口設(shè)置圖 打開電源啟動超級終端，如下圖 : 圖 內(nèi)核啟動 Linux 啟動時 BOIS 首先加電自檢，然后會加載主引導(dǎo)加載程序再加載次加載引導(dǎo)程序，對 Linux 內(nèi)核進(jìn)行映射，初始化進(jìn)程。 安徽新華學(xué)院《嵌入式系統(tǒng)開發(fā)》課程設(shè)計(jì) 7 3 硬件設(shè)計(jì) 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，自行選擇電子元件，畫出電氣原理圖，并調(diào)試。一個完整的系統(tǒng)除了主控芯片以外，還需配上電源系統(tǒng)、時 鐘電路、復(fù)位電路等。獨(dú)立的芯片是不能工作的 ARM 實(shí)驗(yàn)箱簡介 隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展， ARM 處理器經(jīng)歷了包括 ARM ARM9 在內(nèi)的多個發(fā)展歷程，而 ARM11 的成熟應(yīng)用必將為嵌入式的發(fā)展帶來新的活力，使更高端的產(chǎn)品應(yīng)用成為可能 ， 與 ARM9 的 5 級流水線相比， ARM11 擁有一條具有獨(dú)立的loadstore 和算術(shù)流水的 8 級流水線，在同樣工藝下， ARM11 處理器的性能與ARM9 相比大約提高了 40%。 ARM11 執(zhí)行 ARMv6架構(gòu)的指令， ARMv6 指令包含了針對媒體處理的單指令流多數(shù)據(jù)流（ SIMD）擴(kuò)展，采 用特殊的設(shè)計(jì)，以改善視頻處理性能。為了能夠進(jìn)行快速浮點(diǎn)運(yùn)算， ARM11增加了向量浮點(diǎn)單元。所有這些結(jié)構(gòu)上的提高，都是 ARM9處理器不可比擬的。 ARM11 為便攜式和無線應(yīng)用，提供了從未有過的高超性能，并且使我們主要關(guān)心的成本和功耗減到最小。 ARM11 的微架構(gòu)保證了系統(tǒng)性能可以從基本的350500MHz 范圍擴(kuò)展到最終的 1GHz 以上。其微架構(gòu)的高效率表現(xiàn)，允許開發(fā)者根據(jù)不同的應(yīng)用來調(diào)節(jié)時鐘頻率和電源電壓，從而在性能和功耗之間達(dá)到最佳的折衷。例如，一個基于 ARM11 的微架構(gòu)的處理器在 工作電壓下，使用 工藝實(shí)現(xiàn)，其功率將不會超過 。 ARM11 微處理器是一種高性能、低功耗的‘準(zhǔn) 64 位’微處理器 。 對于目前大多數(shù)嵌入式應(yīng)用，一個真正的 64 位處理器仍然被認(rèn)為是不必要的，其巨大的功耗和面積讓人難以接受。對此， ARM11選擇了一個折中的方案，以較小的代價，部分實(shí)現(xiàn)了一個 64 位微架構(gòu)。 ARM11 只在處理器整數(shù)單位和高速緩存之間，以及在整數(shù)單位和協(xié)處理器之間實(shí)現(xiàn)了 64位數(shù)據(jù)總線。這些 64 位數(shù)據(jù)道路允許處理器在一個時鐘周期中同時獲取兩條指令，還允許在一個時鐘周期執(zhí)行多個數(shù)據(jù)讀寫指令。這使得 ARM11在執(zhí)行很多特定序列的代碼時能夠達(dá)到非常高的性能，安徽新華學(xué)院《嵌入式系統(tǒng)開發(fā)》課程設(shè)計(jì) 8 特別是那些允許數(shù)據(jù)搬移與數(shù)據(jù)處理并行處理的代碼序列。 S3C6410 是由三星公司推出的一款低功耗、高性價比的 RSIC 處理器，它基于 ARM11 內(nèi)核（ ARM1176JZFS)，可廣泛應(yīng)用于移動電話和通用處理等領(lǐng)域；S3C6410為 和 3G通信服務(wù)提供了優(yōu)化的硬件性能，內(nèi)置強(qiáng)大的硬件加速器：包括運(yùn)動視頻處理、音頻處理、 2D 加速、顯示處理和縮放等；集成了一個MFC(MultiFormat video Codec)支持 MPEG4 /解碼，能夠提供實(shí)時的視頻會議以及 NRSC 和 PAL 制式的 TV 輸出；除此之外，該處理器內(nèi)置一個采用最先進(jìn)技術(shù)的 3D 加速器，支持 OpenGL ES D3DM API， 能實(shí)現(xiàn) 4M triangles/s 的 3D 加速；同時， S3C6410 包含了優(yōu)化的外部存儲器接口，該接口能滿足在高端通信服務(wù)中的數(shù)據(jù)帶寬要求。由于以上突出的性能表現(xiàn)，著名的蘋果公司手機(jī) IPHONE 就是基于 S3C6410 處理器。 CVT6410 開發(fā)板基于三星公司最新的 ARM11處理器 S3C6410，擁有強(qiáng)大的內(nèi)部資源 和視頻處理能力，可穩(wěn)定運(yùn)行在 667MHz 主頻以上，支持 Mobile DDR 和多種 NAND Flash。 CVT6410 開發(fā)板上集成了多種高端接口，如復(fù)合視頻信號、攝像頭、 USB、 SD 卡、液晶屏、以太網(wǎng)，并配備溫度傳感器和紅外接收頭等。這些接口可作為應(yīng)用參考幫助用戶實(shí)現(xiàn)高端產(chǎn)品級設(shè)計(jì)。 CVT6410 開發(fā)板采用‘核心板 +底板’結(jié)構(gòu)，核心板尺寸規(guī)格為‘ 5CM 6CM’，底板尺寸為‘ 14CM’，核心板與底板之間采用 4組高質(zhì)量進(jìn)口連接器（鎳金工藝，接觸好、抗氧化），共計(jì) 320 個引腳（ 80 4），方便客 戶進(jìn)行二次開發(fā)，進(jìn)行各種形式的擴(kuò)展應(yīng)用。 CVT6410 開發(fā)板的設(shè)計(jì)嚴(yán)格按照 CE、 CCC 等國內(nèi)外電子產(chǎn)品認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，充分考慮高速信號的完整性等電磁兼容措施，確保 CVT6410 開發(fā)板在嚴(yán)酷電磁環(huán)境下的可靠運(yùn)行。 CVT6410 的軟件系統(tǒng)目前支持 WinCE 、 、 以及 uC/OSII，提供標(biāo)準(zhǔn)板級支持包（ BSP）并開放源碼，其中包含了所有接口的驅(qū)動程序，客戶可以直接加載使用。另外，該板可連接武漢創(chuàng)維特公司與之相配套使用的串口擴(kuò)展板、 WIFI 模塊、攝像頭 模塊等。隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展， ARM 處理器經(jīng)歷了包括 ARM ARM9 在內(nèi)的多個發(fā)展歷程，而 ARM11 的成熟應(yīng)用必將為嵌入式的發(fā)展帶來新的活力，使更高端的產(chǎn)品應(yīng)用成為可能。 安徽新華學(xué)院《嵌入式系統(tǒng)開發(fā)》課程設(shè)計(jì) 9 數(shù)碼管倒計(jì)時顯示硬件設(shè)計(jì) 數(shù)碼管是一種很普遍的顯示器件，數(shù)碼管的主要部分是七段發(fā)光二極管；數(shù)碼管分為共陰極和共陽極兩種，為了保護(hù)各段 LED，需外加限流電阻。有的產(chǎn)品還附加有一個小數(shù)