【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 eketLinux 等 )。其中，RTLinux 通過把通常的 Limix 任務(wù)優(yōu)先級(jí)設(shè)為最低，而所有的實(shí)時(shí)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)都高于它，以達(dá)到既兼容通常的 Limix 任務(wù)又保證強(qiáng)實(shí)時(shí)性能的目的。另一種常用的嵌入式 Linux 是 uCLimix，它是針對(duì)沒有 MMU的處理器而設(shè)計(jì)的。它不能使用處理器的虛擬內(nèi)存管理技術(shù)，對(duì)內(nèi)存的訪問是直接的，所有程序中訪問的地址都是實(shí)際的物理地址。它專為嵌入式系統(tǒng)做了許多小型化的工作。 嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)流程 典型的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)通常采用軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)，將軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)作為一個(gè)整體并行設(shè)計(jì)，找到軟硬件的最佳結(jié)合點(diǎn)，從而使系統(tǒng)高效工作。這樣的設(shè)計(jì)方 法，可以充分利用現(xiàn)有的軟硬件資源，縮短系統(tǒng)開發(fā)周期、降低開發(fā)成本、提高系統(tǒng)性能，避免由于獨(dú)立設(shè)計(jì)軟硬件體系結(jié)構(gòu)而帶來的弊端。嵌入式系統(tǒng)開發(fā)一般由 4 個(gè)階段構(gòu)成，如圖 所示，包括系統(tǒng)描述、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真驗(yàn)證與綜合實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)描述是用一種或多種系統(tǒng)級(jí)描述語言對(duì)所要設(shè)計(jì)的嵌入式系統(tǒng)的功能和性能進(jìn)行全面的描述，建立系統(tǒng)的軟硬件模型的過程。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)又可以分為軟硬件功能分配和系統(tǒng)映射兩個(gè)子過程。軟硬件功能分配就是要確定哪些系統(tǒng)功能由硬件模塊來實(shí)現(xiàn)，哪些系統(tǒng)功能由軟件模塊來實(shí)現(xiàn)。硬件一般能夠提供更好的性能，而軟件更容易 開發(fā)和修改，成本相對(duì)較低。系統(tǒng)映射是根據(jù)系統(tǒng)描述和軟硬件任務(wù)劃分的結(jié)果，選擇系統(tǒng)的軟硬件模塊以及其接口的具體實(shí)現(xiàn)方法，并將其集成，最終確定系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。這一過程要確定系統(tǒng)將采用哪些硬件模塊 (如存儲(chǔ)器、 Io 片、 MCU、 FPGA、 I/O 接口部件等 )、軟件模塊 (嵌入式操作系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)程序、功能模塊等 )和軟硬件模塊之間的通訊方法 (數(shù)據(jù)總線、共享存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)通道等 )以及這些模塊的具體實(shí)現(xiàn)方法。 仿真驗(yàn)證是檢驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)正確性的過程。由它對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果的正確性進(jìn)行評(píng)估，以達(dá)到避免在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中發(fā)現(xiàn)問題時(shí)再進(jìn)行反復(fù)修改的目的 。在系統(tǒng)仿真驗(yàn)證的過程中，模擬的工作環(huán)境和實(shí)際使用時(shí)差異很大，軟硬件之間的相互作用方式及作用效果也就不同，這也使得難以保證系統(tǒng)在真實(shí)環(huán)境下工作的可靠性。因此，系統(tǒng)模擬的有效性是有限的。但是選擇好的仿真驗(yàn)證環(huán)境對(duì)于系統(tǒng)的開發(fā)驗(yàn)證往往能起到事半功倍的效果。 軟硬件綜合實(shí)現(xiàn)就是軟件、硬件系統(tǒng)的具體制作。設(shè)計(jì)結(jié)果經(jīng)過仿真驗(yàn)證后，可按系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求進(jìn)行系統(tǒng)制作，即按照前述工作的要求設(shè)計(jì)硬件軟件，并使它們能夠協(xié)調(diào)一致地工作，制作完成后即可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域 嵌入式系統(tǒng)具有非常廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、提升許多領(lǐng)域技術(shù)水平的有力工具。目前大量的 1 32 位嵌入式微處理器應(yīng)用在工業(yè)過程控制、數(shù)控機(jī)床、電網(wǎng)安全、電網(wǎng)設(shè)備檢測(cè)、石油化工和消費(fèi)電子等領(lǐng)域，顯著提高了這些技術(shù)領(lǐng)域的自動(dòng)化和智能化程度。航空航天、交通管理、家庭智能管理系統(tǒng)、 POS 網(wǎng)絡(luò)及電子商務(wù)、環(huán)境檢測(cè)等領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)步與智能化水平的提高，其中的嵌入式系統(tǒng)功不可沒。 嵌入式系統(tǒng)在航天領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，比如在美國(guó)宇航局的“基地登陸者”號(hào)?！吧羁斩?號(hào)”和火星氣候軌道器等登陸火星探測(cè)器上，就采用了 Vxwbrks嵌入式操作系統(tǒng)，負(fù)責(zé)火星探測(cè)器全部飛行控制，包括飛行糾正，載體自轉(zhuǎn)和降落時(shí)的高度控制等，而且還負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)收集以及與地球的通信工作。 進(jìn)入 20 世紀(jì) 90 年代以來，隨著高新技術(shù)的迅猛發(fā)展及其在軍事領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，武器裝備在軍事斗爭(zhēng)和軍隊(duì)建設(shè)中的作用日益突出。各國(guó)在新軍事變革中發(fā)展武器裝備的一個(gè)明顯共性是，利用現(xiàn)有信息技術(shù)的發(fā)展成果對(duì)現(xiàn)有的武器裝備進(jìn)行改造，最終實(shí)現(xiàn)武器裝備的智能化，作戰(zhàn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化。例如，美國(guó)戰(zhàn)略核武器民兵 (MinuteMan)系列導(dǎo)彈的導(dǎo)航系統(tǒng)就采用了先進(jìn)的嵌入式系統(tǒng)。 當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)還廣泛用于下面的領(lǐng)域 : 1)無線設(shè)備。超過 85%的無線設(shè)備 (手機(jī)等 )都采用了 ARM 技術(shù)，在向 3G 升 級(jí)的過程中， ARM 也地位穩(wěn)固。在 PDA 一類的無線設(shè)備中， ARM 針對(duì)視頻流進(jìn)行了優(yōu)化，并獲得了廣泛的支持。 2)藍(lán)牙技術(shù)。 ARM 已經(jīng)為藍(lán)牙的推廣做好了準(zhǔn)備，有 20 多家公司的元器件產(chǎn)品采用了 ARM 技術(shù)，如 E 五 csson、恤 el、 Lueent、 Philips 和 Tl 等。 3)互聯(lián)網(wǎng)。隨著寬帶接入市場(chǎng)的成長(zhǎng)，采用 ARM 技術(shù)的 ADsL芯片組正在獲得 競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。 4)消費(fèi)電子。這是增長(zhǎng)迅速的市場(chǎng)。 ARM 技術(shù)在數(shù)字音頻播放器、數(shù)字機(jī)頂盒和游戲機(jī)等應(yīng)用廣泛。 5)汽車。汽車上使用的 ARM 正在進(jìn)行設(shè)計(jì)中，包括駕駛、安全和車載娛樂等各種功能在內(nèi)的設(shè)備有可能采用 5~6 個(gè) ARM 處理器統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)。 6)海量存儲(chǔ)設(shè)備。采用 ARM 技術(shù)的存儲(chǔ)產(chǎn)品包括硬盤系列、微型閃存卡和可讀寫光盤等，已經(jīng)投入生產(chǎn)，并且將會(huì)有更加先進(jìn)的產(chǎn)品問世。 7)成像。包括 ARM 技術(shù)的相機(jī)和打印機(jī)。 8)安全產(chǎn)品。在 GsM 和 3G 手機(jī)中的 32 位 sIM 智能卡。 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展方向 信息時(shí)代、數(shù)字時(shí)代的 來臨使嵌入式產(chǎn)品獲得巨大的發(fā)展機(jī)遇，同時(shí)帶給嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用市場(chǎng)光明的前景，也為嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展指明了方向。首先，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)水平的提升，要求嵌入式系統(tǒng)廠商不僅要提供技術(shù)水平更高的嵌入式硬件，還要提供功能更加強(qiáng)大的硬件開發(fā)工具和軟件包。其次，對(duì)網(wǎng)絡(luò)化、信息化的需求，隨著國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日益成熟、帶寬的增加而日益迫切，這就要求嵌入式系統(tǒng)芯片提供強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)支持功能。為適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的要求，新一代的嵌入式系統(tǒng)芯片已經(jīng)開始內(nèi)嵌網(wǎng)絡(luò)接口，且不僅支持 TCP/IP 協(xié)議，還支持 IEEEI39 USB、 CAN、藍(lán)牙或 lrDA 通信接口中的一種或幾種，同時(shí)還提供相應(yīng)的通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議軟件和物理層驅(qū)動(dòng)軟件。最后，功耗和成本的進(jìn)一步降低是嵌入式系統(tǒng)今后的發(fā)展趨勢(shì)之一，這就要求其操作系統(tǒng)在可以支撐應(yīng)用需求的條件下能進(jìn)一步精簡(jiǎn)系統(tǒng)的內(nèi)核。而為了便于開發(fā)，還應(yīng)提供更加友好的多媒體人機(jī)界面等。 小結(jié) 本章主要對(duì)嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行了總體介紹，包括了嵌入式系統(tǒng)的定義、特點(diǎn)，嵌入式系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)、嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)流程，同時(shí)對(duì)幾種常用的嵌入式處理器和嵌入式操作系統(tǒng)做了簡(jiǎn)單的介紹。基于嵌入式系統(tǒng)的特色和優(yōu)勢(shì)，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用也越來越廣泛，已成為當(dāng)今最熱 門的技術(shù)之一。 4 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 整體結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 本系統(tǒng)的硬件平臺(tái)主要由微處理器單元、存儲(chǔ)器單元、 GPRS 模塊單元、外部傳感器單元、串口通訊單元以及 JTAG 接口， USB 接口， LCD 顯示等部分組成，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。 該系統(tǒng)終端采用 ARM 處理器，通過控制 GPRS 模塊，連接到移動(dòng)公司的GPRS 網(wǎng)絡(luò)，再連接到遠(yuǎn)程的計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)傳輸功能。擴(kuò)展了 Flash 程序存儲(chǔ)器和 SDRAM， Flash 存儲(chǔ)器用于存放已調(diào)試好的應(yīng)用程序和嵌入式 Limix 操作系統(tǒng) 。串口通訊模塊用于調(diào)試系統(tǒng)，及與終端設(shè)備進(jìn)行通信 。LCD 液晶顯示屏用于顯示系統(tǒng)信息和相關(guān)的狀態(tài) 。JTAG 接口用于仿真調(diào)試程序 。USB 接口用于燒寫 Linux 系統(tǒng)相關(guān)的代碼。 系統(tǒng)的 CPU采用的是 samsung 公司的一款 ARM92oTs3c2440 芯片，采用五級(jí)流水線和哈佛結(jié)構(gòu)，具有高性能、低功耗的特點(diǎn)，配有全性能的 MMU、數(shù)據(jù)Cache 和高速的 AMBA 總線接口 。FLAsH 采用 samsung 公司的一片 64MKgF12osuoB， 用 于存儲(chǔ)已調(diào)好 的應(yīng)用程序和嵌入式操作系統(tǒng) 。SDRAM 采用了兩片 16M 的 HY57V561620FTP 一 H，較大的容量保證了數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的高效運(yùn)行。 S3C2440 處理器介紹 S3C2440 是韓國(guó)三星公司的一款基于 ARM920T 內(nèi)核的 16/32 位 RISC 嵌入式處理器，主要面向手持設(shè)備以及高性價(jià)比、低功耗的應(yīng)用。運(yùn)行的頻率可達(dá)到400MHz， ARM92OT 核由 ARM92OTDMI、存儲(chǔ)管理單元 (MMU)和高速緩存三部分組成。其中 MMU可以管理虛擬內(nèi)存，高速緩存由獨(dú)立的 16KB地址和 16KB數(shù)據(jù)高速 cache 組成。 ARM920T 有兩個(gè)協(xié)處理器 :CP14 和 CP15， CP14 用于調(diào)試控制器， CP15 用于存儲(chǔ)系統(tǒng)控制以及測(cè)試控制。 S3C2440 的資源包括 : 1 個(gè) LCD 控制器 (支持 STN 和件 T 帶有觸摸屏的液晶顯示屏 )。 SDRAM 控制器和外部存儲(chǔ)器接口 。 3 個(gè)通道的 UART，其中一個(gè)通道可以作為 LDA 紅外通信接口 。 4 個(gè)通道的 DMA。 4 個(gè)具有 PWM 功能的計(jì)時(shí)器和一個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘 。 8 通道的 10 位 ADC。 4 線電阻式觸摸屏接口 。 ns 音頻接口 。 2 個(gè) USB 主機(jī)接口， 1 個(gè) USB 設(shè)備接口 。 1 個(gè) nC 總線接口和 2 個(gè) SPI 接口 。 SD 接口和 MMC 卡接口 。 看門狗定時(shí)器和 RTC 實(shí)時(shí)時(shí)鐘 。 130 個(gè)通用 I/O 和 24 個(gè)外部中斷源 。 8 通道 10 位 //D 控制器。 53C2440 將系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間分為 8 組 (Bank)，每組的大小是 128MB，共 IGB。Banko 至 Banks 的開始地址是固定的，用于 ROM 或者 SRAM。 Bank6 和 Bank7用于 ROM、 SRAM 或者 SDRAM，這兩個(gè)組可編程，且大小相同。 Bank7 的開始地址是 Bank6 的結(jié)束地址，靈活可變。所有內(nèi)存塊的訪問周期都可以編程。53C2410 采用 Ngcs[7:0]8 個(gè)通用片選信號(hào)選擇這些組 。 53C2410 支持從 NandFlash 啟動(dòng)， NandFlash 具有容量大，比 NorFlash 價(jià)格低等特點(diǎn)。 系統(tǒng)采用 NandFlash 與 SDRAM 相結(jié)合，可以獲得較高的性價(jià)比。 53C2440具有三種啟動(dòng)方式，可以通過 OM[1:0]引腳來選擇 : OM[l:0]=00 時(shí)，處理器從 NandFlash 啟動(dòng) 。 OM[l:0]=01 時(shí)，處理器從 16 位寬的 RoM 啟 。 OM[l:0]=10 時(shí)，處理器從 32 位寬的 RoM 啟動(dòng) 。 用戶可以將引導(dǎo)代碼和操作系統(tǒng)鏡像存放在外部的 NandFlash 中，并從NandFlash 啟動(dòng)，當(dāng)處理器在這種模式下復(fù)位時(shí)，內(nèi)置的 NandFlash 將訪問控制接口，并將代碼自動(dòng)加載到內(nèi)部 SDRAM 中并運(yùn)行。之后， SRAM 中的引導(dǎo)程序?qū)⒉僮飨到y(tǒng)鏡像加載到 SDRAM 中，操作系統(tǒng)就能夠在 SDRAM 中運(yùn)行。啟動(dòng)完畢之后， 4KB 的啟動(dòng) SRAM 就可以用于其他用途。如果從其他方式啟動(dòng)，啟動(dòng) ROM 就要定位于內(nèi)存的起始地址空間 0X00000000，處理器直接在 ROM 上運(yùn)行啟動(dòng)程序，而 4KB 啟動(dòng) SRAM 被定位于內(nèi)存地址的 0X40000000 處。 53C2440 對(duì)于片內(nèi)的各個(gè)部件采用了獨(dú)立的電源供電方式 : 內(nèi) 核采用 供電 。 存儲(chǔ)單元采用 ，對(duì)于一般的 SDRAM 可以采用 ，對(duì)于移動(dòng)的 SDRAM 可以采用 VDD 等于 。 VDOQ 等于 。 I/O 采用獨(dú)立 。 主要模塊的設(shè)計(jì) 電源模塊 電源部分是電路設(shè)計(jì)中主要的一環(huán)，電源部分設(shè)計(jì)的好壞，直接影響到整個(gè)系統(tǒng)能否正常工作，本系統(tǒng)中所涉及的芯片眾多，集成度較高，需要在電路板中分別為 53C2440MCU，內(nèi)存，以及其他擴(kuò)展模塊提供不同的電壓值。網(wǎng)絡(luò)接口，UART點(diǎn)平轉(zhuǎn)換等需要 +。而 S3C2440MCU需要 + I/O電壓和 +核心電壓。下面就是各個(gè)電源模塊的設(shè)計(jì)原理圖，如圖 所示。 SDRAM 的設(shè)計(jì) SDRAM 具有高速、大容量等優(yōu)點(diǎn)，是一種具有同步接口的高速動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，它的同步接口和內(nèi)部流水線結(jié)構(gòu)允許存儲(chǔ)外部高速數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸速度可以和 ARM 的時(shí)鐘頻率同步，主要用作程序的運(yùn)行空間、數(shù)據(jù)及堆棧區(qū)。 ARM內(nèi)部有一個(gè)可編程的 16位或者是 32位寬的 SDRAM接口，允許連接兩組 SDRAM容量 512Mblt。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選擇了 Hynix 公司的 HY57v561620FTP 一 H，它的容量是 16MB，單片數(shù)據(jù)寬度是 16 位，為了增加數(shù)據(jù)吞吐能力，所以選取了兩片 SDRAM 構(gòu)成犯位地址寬度。 SDRAM 模塊的原理圖如圖 所示。其中， SDRAM 的存儲(chǔ)單元可理解為一個(gè)電容，總是傾向于放電，為了避免數(shù)據(jù)丟失，必須定時(shí)刷新。因此，要在系統(tǒng)中使用 SDRAM，就要求微處理器具有刷新控制邏輯，或者是在系統(tǒng)中另外加入刷新控制邏輯電路。 ARM 芯片在片內(nèi)具有獨(dú)立的 SDRAM 刷新控制邏輯，可以方便地與 SDR