【導讀】均已在參考文獻或注釋中列出。設計說明書與圖紙均由本人獨立完。成，沒有抄襲、剽竊他人已經發(fā)表或未發(fā)表的研究成果行為?，F(xiàn)以上違反知識產權的情況，本人愿意承擔相應的責任。隨著計算機技術的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)獲得了越來越廣泛的應用。理器深受廠家的歡迎。ARM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見，在將來一段時間內，ARM微。處理器仍將主宰32位嵌入式微處理器市場。因此學習和掌握ARM微處理器技術是。非常必要的，而設計ARM微處理器最小系統(tǒng)是非常有意義的。此次設計選用的芯片是。存儲器模塊，時鐘電路模塊進行了設計，此外就鍵盤和顯示屏進行了補充設計。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代碼。作為開源的嵌入式實時操作系統(tǒng)，擁有極為精簡的內核和出色的實時性與可靠性，

　　

【正文】 按鍵的另一個引腳相連 [1]。 圖 38 鍵盤電路原理圖 實現(xiàn)的系統(tǒng)硬件構成為 44 的行列式鍵盤，如圖 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。 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編碼這樣就完成了按鍵掃描過程。當然，一個完整的按鍵掃描過程還需要配合相應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 39 所示。 基于 ARM 的智能控制最小系統(tǒng) 20 圖 39 鍵盤掃描流程 圖形液晶 液晶是一種在一定溫度范圍內呈現(xiàn)既不同于固態(tài)、液態(tài)，又不同于氣態(tài)的特殊物質態(tài)，它既具有各向異性的晶體所特有的雙折射性， 又具有液體的流動性。液晶顯示器件 （ LCD） 就是利用液晶態(tài)物質的液晶分子排列狀態(tài)在電場中改變而調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，被廣泛應用于各種各樣嵌入式產品中 。 在嵌入式系統(tǒng)應用中，如果微控制器本身帶有液晶驅動控制功能，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動控制功能，則需要外擴液晶驅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，為各種電子產品提供了友好的人機界面。隨著 STN 和 TFT 液晶顯示屏技術的成熟發(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備 [1]。 點陣式液晶模塊一般是采用并行接口進行數(shù)據傳送，此次設計我們選擇的是浙江理工大學畢業(yè)設計（論文） 21 TG240128A。 TG240128A 的具體參數(shù)如下 ： 顯示格式： 240X128；型號 TG240128A；外形尺寸 （ W*H*T） ： ；視域尺寸： ；點尺寸： ；點間距： ；控制器： T6963C；背光類型： None， LED， CCFL。 TG240128A 與 LPC2378 微控制器的接口電路如圖 310 所示。 圖 310 TG240128A 與 LPC2378 的接口電路 第四章 最小系統(tǒng)的軟件設計 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，讀出并傳遞設備中的信息在中斷退出后恢復循環(huán)的運行；而循環(huán)則 在每次單項處理結束后查看是否收到需要處理的新設備信息。簡單的應用可以基于 ARM 的智能控制最小系統(tǒng) 22 這樣構造，但稍微復雜的情況下這種前后臺系統(tǒng)的邏輯復雜程度就會呈幾何級數(shù)增長，導致系統(tǒng)邏輯基本上失去控制、修改和增加的可能性。 但是隨著所謂后 PC 時代的來臨，嵌入式系統(tǒng)設計日趨復雜，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，復雜的應用程序可分為多個任務模塊。 ARM 的運行速度大大高于 16 位的CPU，而且本來就是為運行多用戶、多任務操作系統(tǒng)而設計的，特別適于運行多任務實時系統(tǒng) [21]。 嵌入式操作系統(tǒng)與 uC/OSII 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，過去它主要應用于工業(yè)控制和國防系統(tǒng)領域。 EOS 負責嵌入式系統(tǒng)的全部軟、硬件資源的分配、調度工作，控制協(xié)調并發(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。 在嵌入式實時操作系統(tǒng)環(huán)境下開發(fā)實時應用程序使程序的設計和擴展變得容易，不需要大的改動就可以增加新的功能。通過將應用程序分割成若干獨立的任務模塊，使應用程序的設計過程大為 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，嵌入式實時操作系統(tǒng)使得系統(tǒng)資源得到更好的利用。同時，使用嵌入式實時操作系統(tǒng)還需要額外的 ROM/RAM 開銷， 2~5%的 CPU 額外負荷，以及內核的費用。但對于 ARM 來說，這一付出是完全可以承受的 [22]。 嵌入式實時操作系統(tǒng)的特點 嵌入式操作系統(tǒng)是一種支持嵌入式系統(tǒng)應用的操作系統(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的底層驅動軟件、系統(tǒng)內核、設備驅動接口、通信協(xié)議、圖形界面、標 準化瀏覽器 Browser 等。嵌入式操作系統(tǒng)具有通用操作系統(tǒng)的基本特點，如能夠有效管理越來越復雜的系統(tǒng)資源；能夠把硬件虛擬化，使得開發(fā)人員從繁忙的驅動程序移植和維護中解脫出來；浙江理工大學畢業(yè)設計（論文） 23 能夠提供庫函數(shù)、標準設備驅動程序以及工具集等。與通用操作系統(tǒng)相比較，嵌入式操作系統(tǒng)在系統(tǒng)實時高效性、硬件的相關依賴性、軟件固態(tài)化以及應用的專用性等方面具有較為突出的特點。 一般來說實時操作系統(tǒng)是事件驅動的（ event_driven），能對來自外界的作用和信號在限定的時間范圍內作出響應。它強調的是實時性、可靠性和靈活性，與實時應用 軟件相結合成為有機的整體起著核心作用，由它來管理和協(xié)調各項工作，為應用軟件提供良好的運行軟件環(huán)境及開發(fā)環(huán)境。 實時操作系統(tǒng)是一段在嵌入式系統(tǒng)啟動后首先執(zhí)行的背景程序，用戶的應用程序是運行于 RTOS 之上的各個任務， RTOS 根據各個任務的要求，進行資源（包括存儲器、外設等）管理、消息管理、任務調度、異常處理等工作。在 RTOS 支持的系統(tǒng)中，每個任務均有一個優(yōu)先級， RTOS 根據各個任務的優(yōu)先級，動態(tài)地切換各個任務，保證對實時性的要求。工程師在編寫程序時，可以分別編寫各個任務，不必同時將所有任務運行的各種可能 情況記在心中，大大減小了程序編寫的工作量，而且減小了出錯的可能，保證最終程序具有高可靠性。實時多任務操作系統(tǒng)，以分時方式運行多個任務，看上去好象是多個任務 “ 同時 ” 運行。任務之間的切換應當以優(yōu)先級為根據，只有優(yōu)先服務方式的 RTOS 才是真正的實時操作系統(tǒng)，時間分片方式和協(xié)作方式的 RTOS 并不是真正的 “ 實時 ” 。 隨著 Inter 技術的發(fā)展、信息家電的普及應用及 EOS 的微型化和專業(yè)化， EOS開始從單一的弱功能向高專業(yè)化的強功能方向發(fā)展。嵌入式操作系統(tǒng)在系統(tǒng)實時高效性、硬件的相關依賴性、軟件固態(tài)化以及應用 的專用性等方面具有較為突出的特點。 EOS 是相對于一般操作系統(tǒng)而言的，它除具備了一般操作系統(tǒng)最基本的功能，如任務調度、同步機制、中斷處理、文件功能等外，還有以下特點： （ 1）可裝卸性。開放性、可伸縮性的體系結構。 （ 2）強實時性。 EOS 實時性一般較強，可用于各種設備控制當中。 （ 3）統(tǒng)一的接口。提供各種設備驅動接入。 （ 4）操作方便、簡單、提供友好的圖形 GUI，圖形界面，追求易學易用。 （ 5）提供強大的網絡功能，支持 TCP/IP 協(xié)議及其它協(xié)議， TCP/UDP/IP/PP 協(xié)基于 ARM 的智能控制最小系統(tǒng) 24 議支持及統(tǒng)一的 MAC 訪問層接口，為各種 移動計算設備預留接口 。 （ 6）強穩(wěn)定性，弱交互性。嵌入式系統(tǒng)一旦開始運行就不需要用戶過多干預，這就要負責系統(tǒng)管理的 EOS 具有較強的穩(wěn)定性。嵌入式操作系統(tǒng)的用戶接口一般不提供操作命令，它通過系統(tǒng)調用命令向用戶程序提供服務。 （ 7）固化代碼。在嵌入系統(tǒng)中，嵌入式操作系統(tǒng)和應用軟件被固化在嵌入式系統(tǒng)計算機的 ROM 中。輔助存儲器在嵌入式系統(tǒng)中很少使用，因此，嵌入式操作 29系統(tǒng)的文件管理功能應該能夠很容易地拆卸，而用各種內存文件系統(tǒng)。 （ 8）更好的硬件適應性，也就是良好的移植性 [23]。 uC/OSII 概述 uC/OSII 是一個完整的，可移植、固化、裁剪的占先式實時多任務內核。它誕生于 1992 年，由美國著名嵌入式專家 Jean 先生編寫。它由最初的版本uC/OS 升級而來，是用 ANSI 的 C 語言編寫的，包含一小部分匯編語言代碼，使之可供不同架構的微處理器使用。與最初的版本相比， uC/OSII 作了很大改進，如時間管理，消息郵箱管理，消息隊列管理，存儲管理，互斥型信號量管理，事件標志管理等。 uC/OSII 己經在全世界許多領域中使用，如照相機行業(yè)、航空業(yè)、高端音響、醫(yī)療器械 、電子樂器、發(fā)動機控制、網絡設備、高速公路電話系統(tǒng)、自動提款機及工業(yè)機器人等等。實際上， uC/OSII 通過了美國聯(lián)邦航空局（ FAA）商用航行器認證，符合 RTCA（航空無線電技術委員會） DO—178B 標準，該標準是為航空電子設備所使用軟件的性能要求而制定的。它表明了 uC/OSII 具有足夠的安全性與穩(wěn)定性，能用于與人性命攸關的，安全性條件極為苛刻的系統(tǒng)， uC/OSII 的每一種功能、每一個函數(shù)及每一行代碼都經過了考驗與測試，通過這一標準意味著 uC/OSII 可在任何應用中使用。 uC/OSII 的特 點主要有以下方面： （ 1） 源代碼公開 只需要購買 Jean 先生編著的 《 嵌入式實時操作系統(tǒng) uC/OSII》即可浙江理工大學畢業(yè)設計（論文） 25 獲得 uC/OSII 版本 的全部源代碼。這給學習與研究內核結構提供了極大的便利，通過閱讀這些源代碼，可以明晰代碼間的關聯(lián)，探查實時內核的內部機理，理解內核是如何工作的。 （ 2） 可移植性 uC/OSII 的源碼絕大部分是用移植性很強的 ANSIC 編寫，與微處理器硬件相關的部分是用匯編語言編寫的。匯編語言編寫的部分己經壓到最低限度，以使uC/OSII 便于移植到 不同的微處理器上。 uC/OSII 可以在絕大多數(shù)的 8 位、 16 位、32 位以至 64 位的微處理器、微控制器及數(shù)字信號處理器（ DSP）上運行。 （ 3） 可固化 uC/OSII 是為嵌入式應用設計的，這就意味著只要具備合適的軟硬件工具，就可以將 uC/OSII 嵌入到產品中作為產品的一部分。 （ 4） 可剪裁 隨著應用的不同，可以使用條件編譯對 uC/OSII 中的的系統(tǒng)服務進行剪裁。對不同的應用，使用的 uC/OSII 調用是可以不同的，它靠條件編譯功能實現(xiàn)，只要在用戶的應用程序中（用 define constants 語句）定義哪些 uC/OSII 中的功能是應用程序需要的就可以了。這樣可以減少產品中 uC/OSII 所需的存儲器空間（ RAM 和ROM）。 （ 5） 可剝奪性 uC/OSII 是完全可剝奪性的實時內核，它總是運行就緒條件下優(yōu)先級最高的任務。這一特點使之和許多高端商業(yè)內核相媲美，在某些性能上比它們還要好。 （ 6）多任務 uC/OSII 可以管理 64 個任務，不過作者建議用戶保留 8 個給 uC/OSII。這樣，留給用戶的應用程序最多可以有 56 個任務。 uC/OSII 根據任務的優(yōu)先級對任務進行調度。 （ 7）可確定性 絕大多數(shù) uC/OSII 的函數(shù)調用和服務的執(zhí)行時間具有可確定性。用戶總能知道uC/OSII 的函數(shù)調用與服務執(zhí)行了多長時間， uC/OSII 系統(tǒng)服務的執(zhí)行時間不依賴基于 ARM 的智能控制最小系統(tǒng) 26 于用戶應用程序任務數(shù)目的多少。 （ 8） 任務棧 每個任務都有自己單獨的棧。 uC/OSII 允許每個任務有不同的?？臻g，以壓低應用程序對 RAM 的需求。使用 uC/OSII 的?？臻g校驗函數(shù)，可以確定每個任務到底需要多少?？臻g。 （ 9）系統(tǒng)服務 uC/OSII 提代很多系統(tǒng)服務，例如信號量、互斥型信號量、事件標志、消息郵箱 、消息隊列、信號量、塊大小固定的內存的申請與釋放及時間管理函數(shù)等。 （ 10）中斷管理 中斷可以使正在執(zhí)行的任務暫時掛起。如果優(yōu)先級更高的任務被該中斷喚醒，則高優(yōu)先級的任務在中斷嵌套全部退出后立即執(zhí)行，中斷嵌套層數(shù)可達 255 層 [24]。 uC/OSII 內核分析 uC/OSII 的組成主要可分為核心、任務處理、時間管理、任務間的同步與通信和移植接口部分。 核心部分（ ）是操作系統(tǒng)的處理核心部分，包括臨界段代碼處理、中斷進出環(huán)境準備、操作系統(tǒng)的初始化、系統(tǒng)運行、時 鐘節(jié)拍、任務調度、事件處理等。它是系統(tǒng)內核功能的部分。 任務處理部分（ ）定義各種任務操作，包括任務的建立、掛起、恢復和刪除，以及任務優(yōu)先級變更、任務堆棧分配等。任務是 uC/OSII 的基本調度單