【文章內容簡介】 eketLinux 等 )。其中，RTLinux 通過把通常的 Limix 任務優(yōu)先級設為最低，而所有的實時任務的優(yōu)先級都高于它，以達到既兼容通常的 Limix 任務又保證強實時性能的目的。另一種常用的嵌入式 Linux 是 uCLimix，它是針對沒有 MMU的處理器而設計的。它不能使用處理器的虛擬內存管理技術，對內存的訪問是直接的，所有程序中訪問的地址都是實際的物理地址。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)同設計，將軟件設計和硬件設計作為一個整體并行設計，找到軟硬件的最佳結合點，從而使系統(tǒng)高效工作。這樣的設計方 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，避免由于獨立設計軟硬件體系結構而帶來的弊端。嵌入式系統(tǒng)開發(fā)一般由 4 個階段構成，如圖 所示，包括系統(tǒng)描述、系統(tǒng)設計、仿真驗證與綜合實現(xiàn)。系統(tǒng)描述是用一種或多種系統(tǒng)級描述語言對所要設計的嵌入式系統(tǒng)的功能和性能進行全面的描述，建立系統(tǒng)的軟硬件模型的過程。 系統(tǒng)設計又可以分為軟硬件功能分配和系統(tǒng)映射兩個子過程。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現(xiàn)，哪些系統(tǒng)功能由軟件模塊來實現(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，成本相對較低。系統(tǒng)映射是根據系統(tǒng)描述和軟硬件任務劃分的結果，選擇系統(tǒng)的軟硬件模塊以及其接口的具體實現(xiàn)方法，并將其集成，最終確定系統(tǒng)的體系結構。這一過程要確定系統(tǒng)將采用哪些硬件模塊 (如存儲器、 Io 片、 MCU、 FPGA、 I/O 接口部件等 )、軟件模塊 (嵌入式操作系統(tǒng)、驅動程序、功能模塊等 )和軟硬件模塊之間的通訊方法 (數(shù)據總線、共享存儲器、數(shù)據通道等 )以及這些模塊的具體實現(xiàn)方法。 仿真驗證是檢驗系統(tǒng)設計正確性的過程。由它對設計結果的正確性進行評估，以達到避免在系統(tǒng)實現(xiàn)過程中發(fā)現(xiàn)問題時再進行反復修改的目的 。在系統(tǒng)仿真驗證的過程中，模擬的工作環(huán)境和實際使用時差異很大，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證環(huán)境對于系統(tǒng)的開發(fā)驗證往往能起到事半功倍的效果。 軟硬件綜合實現(xiàn)就是軟件、硬件系統(tǒng)的具體制作。設計結果經過仿真驗證后，可按系統(tǒng)設計的要求進行系統(tǒng)制作，即按照前述工作的要求設計硬件軟件，并使它們能夠協(xié)調一致地工作，制作完成后即可進行現(xiàn)場實驗。 嵌入式系統(tǒng)的應用領域 嵌入式系統(tǒng)具有非常廣闊的應用領域，是現(xiàn)代計算機技術改造傳統(tǒng)產業(yè)、提升許多領域技術水平的有力工具。目前大量的 1 32 位嵌入式微處理器應用在工業(yè)過程控制、數(shù)控機床、電網安全、電網設備檢測、石油化工和消費電子等領域，顯著提高了這些技術領域的自動化和智能化程度。航空航天、交通管理、家庭智能管理系統(tǒng)、 POS 網絡及電子商務、環(huán)境檢測等領域技術進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)在航天領域得到了廣泛的應用，比如在美國宇航局的“基地登陸者”號?！吧羁斩?號”和火星氣候軌道器等登陸火星探測器上，就采用了 Vxwbrks嵌入式操作系統(tǒng)，負責火星探測器全部飛行控制，包括飛行糾正，載體自轉和降落時的高度控制等，而且還負責數(shù)據收集以及與地球的通信工作。 進入 20 世紀 90 年代以來，隨著高新技術的迅猛發(fā)展及其在軍事領域的廣泛應用，武器裝備在軍事斗爭和軍隊建設中的作用日益突出。各國在新軍事變革中發(fā)展武器裝備的一個明顯共性是，利用現(xiàn)有信息技術的發(fā)展成果對現(xiàn)有的武器裝備進行改造，最終實現(xiàn)武器裝備的智能化，作戰(zhàn)系統(tǒng)的網絡化。例如，美國戰(zhàn)略核武器民兵 (MinuteMan)系列導彈的導航系統(tǒng)就采用了先進的嵌入式系統(tǒng)。 當前嵌入式系統(tǒng)還廣泛用于下面的領域 : 1)無線設備。超過 85%的無線設備 (手機等 )都采用了 ARM 技術，在向 3G 升 級的過程中， ARM 也地位穩(wěn)固。在 PDA 一類的無線設備中， ARM 針對視頻流進行了優(yōu)化，并獲得了廣泛的支持。 2)藍牙技術。 ARM 已經為藍牙的推廣做好了準備，有 20 多家公司的元器件產品采用了 ARM 技術，如 E 五 csson、恤 el、 Lueent、 Philips 和 Tl 等。 3)互聯(lián)網。隨著寬帶接入市場的成長，采用 ARM 技術的 ADsL芯片組正在獲得 競爭優(yōu)勢。 4)消費電子。這是增長迅速的市場。 ARM 技術在數(shù)字音頻播放器、數(shù)字機頂盒和游戲機等應用廣泛。 5)汽車。汽車上使用的 ARM 正在進行設計中，包括駕駛、安全和車載娛樂等各種功能在內的設備有可能采用 5~6 個 ARM 處理器統(tǒng)一實現(xiàn)。 6)海量存儲設備。采用 ARM 技術的存儲產品包括硬盤系列、微型閃存卡和可讀寫光盤等，已經投入生產，并且將會有更加先進的產品問世。 7)成像。包括 ARM 技術的相機和打印機。 8)安全產品。在 GsM 和 3G 手機中的 32 位 sIM 智能卡。 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展方向 信息時代、數(shù)字時代的 來臨使嵌入式產品獲得巨大的發(fā)展機遇，同時帶給嵌入式系統(tǒng)應用市場光明的前景，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)技術水平的提升，要求嵌入式系統(tǒng)廠商不僅要提供技術水平更高的嵌入式硬件，還要提供功能更加強大的硬件開發(fā)工具和軟件包。其次，對網絡化、信息化的需求，隨著國際互聯(lián)網技術的日益成熟、帶寬的增加而日益迫切，這就要求嵌入式系統(tǒng)芯片提供強大的網絡支持功能。為適應網絡發(fā)展的要求，新一代的嵌入式系統(tǒng)芯片已經開始內嵌網絡接口，且不僅支持 TCP/IP 協(xié)議，還支持 IEEEI39 USB、 CAN、藍牙或 lrDA 通信接口中的一種或幾種，同時還提供相應的通信網絡協(xié)議軟件和物理層驅動軟件。最后，功耗和成本的進一步降低是嵌入式系統(tǒng)今后的發(fā)展趨勢之一，這就要求其操作系統(tǒng)在可以支撐應用需求的條件下能進一步精簡系統(tǒng)的內核。而為了便于開發(fā)，還應提供更加友好的多媒體人機界面等。 小結 本章主要對嵌入式系統(tǒng)進行了總體介紹，包括了嵌入式系統(tǒng)的定義、特點，嵌入式系統(tǒng)的層次結構、嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)流程，同時對幾種常用的嵌入式處理器和嵌入式操作系統(tǒng)做了簡單的介紹。基于嵌入式系統(tǒng)的特色和優(yōu)勢，嵌入式系統(tǒng)的應用也越來越廣泛，已成為當今最熱 門的技術之一。 4 遠程數(shù)據采集系統(tǒng)的硬件設計 整體結構 系統(tǒng)結構框圖 本系統(tǒng)的硬件平臺主要由微處理器單元、存儲器單元、 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)整體結構框圖如圖 所示。 該系統(tǒng)終端采用 ARM 處理器，通過控制 GPRS 模塊，連接到移動公司的GPRS 網絡，再連接到遠程的計算機監(jiān)控中心，從而實現(xiàn)遠程的數(shù)據傳輸功能。擴展了 Flash 程序存儲器和 SDRAM， Flash 存儲器用于存放已調試好的應用程序和嵌入式 Limix 操作系統(tǒng) 。串口通訊模塊用于調試系統(tǒng)，及與終端設備進行通信 。LCD 液晶顯示屏用于顯示系統(tǒng)信息和相關的狀態(tài) 。JTAG 接口用于仿真調試程序 。USB 接口用于燒寫 Linux 系統(tǒng)相關的代碼。 系統(tǒng)的 CPU采用的是 samsung 公司的一款 ARM92oTs3c2440 芯片，采用五級流水線和哈佛結構，具有高性能、低功耗的特點，配有全性能的 MMU、數(shù)據Cache 和高速的 AMBA 總線接口 。FLAsH 采用 samsung 公司的一片 64MKgF12osuoB， 用 于存儲已調好 的應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)據處理和網絡協(xié)議的高效運行。 S3C2440 處理器介紹 S3C2440 是韓國三星公司的一款基于 ARM920T 內核的 16/32 位 RISC 嵌入式處理器，主要面向手持設備以及高性價比、低功耗的應用。運行的頻率可達到400MHz， ARM92OT 核由 ARM92OTDMI、存儲管理單元 (MMU)和高速緩存三部分組成。其中 MMU可以管理虛擬內存，高速緩存由獨立的 16KB地址和 16KB數(shù)據高速 cache 組成。 ARM920T 有兩個協(xié)處理器 :CP14 和 CP15， CP14 用于調試控制器， CP15 用于存儲系統(tǒng)控制以及測試控制。 S3C2440 的資源包括 : 1 個 LCD 控制器 (支持 STN 和件 T 帶有觸摸屏的液晶顯示屏 )。 SDRAM 控制器和外部存儲器接口 。 3 個通道的 UART，其中一個通道可以作為 LDA 紅外通信接口 。 4 個通道的 DMA。 4 個具有 PWM 功能的計時器和一個內部時鐘 。 8 通道的 10 位 ADC。 4 線電阻式觸摸屏接口 。 ns 音頻接口 。 2 個 USB 主機接口， 1 個 USB 設備接口 。 1 個 nC 總線接口和 2 個 SPI 接口 。 SD 接口和 MMC 卡接口 。 看門狗定時器和 RTC 實時時鐘 。 130 個通用 I/O 和 24 個外部中斷源 。 8 通道 10 位 //D 控制器。 53C2440 將系統(tǒng)的存儲空間分為 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，這兩個組可編程，且大小相同。 Bank7 的開始地址是 Bank6 的結束地址，靈活可變。所有內存塊的訪問周期都可以編程。53C2410 采用 Ngcs[7:0]8 個通用片選信號選擇這些組 。 53C2410 支持從 NandFlash 啟動， NandFlash 具有容量大，比 NorFlash 價格低等特點。 系統(tǒng)采用 NandFlash 與 SDRAM 相結合，可以獲得較高的性價比。 53C2440具有三種啟動方式，可以通過 OM[1:0]引腳來選擇 : OM[l:0]=00 時，處理器從 NandFlash 啟動 。 OM[l:0]=01 時，處理器從 16 位寬的 RoM 啟 。 OM[l:0]=10 時，處理器從 32 位寬的 RoM 啟動 。 用戶可以將引導代碼和操作系統(tǒng)鏡像存放在外部的 NandFlash 中，并從NandFlash 啟動，當處理器在這種模式下復位時，內置的 NandFlash 將訪問控制接口，并將代碼自動加載到內部 SDRAM 中并運行。之后， SRAM 中的引導程序將操作系統(tǒng)鏡像加載到 SDRAM 中，操作系統(tǒng)就能夠在 SDRAM 中運行。啟動完畢之后， 4KB 的啟動 SRAM 就可以用于其他用途。如果從其他方式啟動，啟動 ROM 就要定位于內存的起始地址空間 0X00000000，處理器直接在 ROM 上運行啟動程序，而 4KB 啟動 SRAM 被定位于內存地址的 0X40000000 處。 53C2440 對于片內的各個部件采用了獨立的電源供電方式 : 內 核采用 供電 。 存儲單元采用 ，對于一般的 SDRAM 可以采用 ，對于移動的 SDRAM 可以采用 VDD 等于 。 VDOQ 等于 。 I/O 采用獨立 。 主要模塊的設計 電源模塊 電源部分是電路設計中主要的一環(huán)，電源部分設計的好壞，直接影響到整個系統(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，內存，以及其他擴展模塊提供不同的電壓值。網絡接口，UART點平轉換等需要 +。而 S3C2440MCU需要 + I/O電壓和 +核心電壓。下面就是各個電源模塊的設計原理圖，如圖 所示。 SDRAM 的設計 SDRAM 具有高速、大容量等優(yōu)點，是一種具有同步接口的高速動態(tài)隨機存儲器，它的同步接口和內部流水線結構允許存儲外部高速數(shù)據，數(shù)據傳輸速度可以和 ARM 的時鐘頻率同步，主要用作程序的運行空間、數(shù)據及堆棧區(qū)。 ARM內部有一個可編程的 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)設計中選擇了 Hynix 公司的 HY57v561620FTP 一 H，它的容量是 16MB，單片數(shù)據寬度是 16 位，為了增加數(shù)據吞吐能力，所以選取了兩片 SDRAM 構成犯位地址寬度。 SDRAM 模塊的原理圖如圖 所示。其中， SDRAM 的存儲單元可理解為一個電容，總是傾向于放電，為了避免數(shù)據丟失，必須定時刷新。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 芯片在片內具有獨立的 SDRAM 刷新控制邏輯，可以方便地與 SDR