【導(dǎo)讀】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?，F(xiàn)以上違反知識產(chǎn)權(quán)的情況，本人愿意承擔相應(yīng)的責(zé)任。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。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(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。此次設(shè)計選用的芯片是。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。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。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，

　　

【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(gòu)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(yīng)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(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 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(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 。 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)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]。 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)計我們選擇的是浙江理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)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(shè)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(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)用可以基于 ARM 的智能控制最小系統(tǒng) 22 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。 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)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(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]。 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(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。 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(nèi)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(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 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(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)動程序移植和維護中解脫出來；浙江理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 能夠提供庫函數(shù)、標準設(shè)備驅(qū)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(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。 一般來說實時操作系統(tǒng)是事件驅(qū)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(nèi)作出響應(yīng)。它強調(diào)的是實時性、可靠性和靈活性，與實時應(yīng)用 軟件相結(jié)合成為有機的整體起著核心作用，由它來管理和協(xié)調(diào)各項工作，為應(yīng)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(yīng)用程序是運行于 RTOS 之上的各個任務(wù)， RTOS 根據(jù)各個任務(wù)的要求，進行資源（包括存儲器、外設(shè)等）管理、消息管理、任務(wù)調(diào)度、異常處理等工作。在 RTOS 支持的系統(tǒng)中，每個任務(wù)均有一個優(yōu)先級， RTOS 根據(jù)各個任務(wù)的優(yōu)先級，動態(tài)地切換各個任務(wù)，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(wù)，不必同時將所有任務(wù)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(wù)操作系統(tǒng)，以分時方式運行多個任務(wù)，看上去好象是多個任務(wù) “ 同時 ” 運行。任務(wù)之間的切換應(yīng)當以優(yōu)先級為根據(jù)，只有優(yōu)先服務(wù)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(shù)的發(fā)展、信息家電的普及應(yīng)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(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。 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(wù)調(diào)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(jié)構(gòu)。 （ 2）強實時性。 EOS 實時性一般較強，可用于各種設(shè)備控制當中。 （ 3）統(tǒng)一的接口。提供各種設(shè)備驅(qū)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(xué)易用。 （ 5）提供強大的網(wǎng)絡(luò)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(shè)備預(yù)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(yù)，這就要負責(zé)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(diào)用命令向用戶程序提供服務(wù)。 （ 7）固化代碼。在嵌入系統(tǒng)中，嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)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(yīng)該能夠很容易地拆卸，而用各種內(nèi)存文件系統(tǒng)。 （ 8）更好的硬件適應(yīng)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(wù)內(nèi)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(gòu)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(jīng)在全世界許多領(lǐng)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(wǎng)絡(luò)設(shè)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(shù)委員會） DO—178B 標準，該標準是為航空電子設(shè)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(guān)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(jīng)過了考驗與測試，通過這一標準意味著 uC/OSII 可在任何應(yīng)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(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 25 獲得 uC/OSII 版本 的全部源代碼。這給學(xué)習(xí)與研究內(nèi)核結(jié)構(gòu)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(guān)聯(lián)，探查實時內(nèi)核的內(nèi)部機理，理解內(nèi)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(guān)的部分是用匯編語言編寫的。匯編語言編寫的部分己經(jīng)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(yīng)用設(shè)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(chǎn)品中作為產(chǎn)品的一部分。 （ 4） 可剪裁 隨著應(yīng)用的不同，可以使用條件編譯對 uC/OSII 中的的系統(tǒng)服務(wù)進行剪裁。對不同的應(yīng)用，使用的 uC/OSII 調(diào)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(yīng)用程序中（用 define constants 語句）定義哪些 uC/OSII 中的功能是應(yīng)用程序需要的就可以了。這樣可以減少產(chǎn)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(nèi)核，它總是運行就緒條件下優(yōu)先級最高的任務(wù)。這一特點使之和許多高端商業(yè)內(nèi)核相媲美，在某些性能上比它們還要好。 （ 6）多任務(wù) uC/OSII 可以管理 64 個任務(wù)，不過作者建議用戶保留 8 個給 uC/OSII。這樣，留給用戶的應(yīng)用程序最多可以有 56 個任務(wù)。 uC/OSII 根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級對任務(wù)進行調(diào)度。 （ 7）可確定性 絕大多數(shù) uC/OSII 的函數(shù)調(diào)用和服務(wù)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(diào)用與服務(wù)執(zhí)行了多長時間， uC/OSII 系統(tǒng)服務(wù)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(yīng)用程序任務(wù)數(shù)目的多少。 （ 8） 任務(wù)棧 每個任務(wù)都有自己單獨的棧。 uC/OSII 允許每個任務(wù)有不同的棧空間，以壓低應(yīng)用程序?qū)?RAM 的需求。使用 uC/OSII 的?？臻g校驗函數(shù)，可以確定每個任務(wù)到底需要多少?？臻g。 （ 9）系統(tǒng)服務(wù) uC/OSII 提代很多系統(tǒng)服務(wù)，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(nèi)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(wù)暫時掛起。如果優(yōu)先級更高的任務(wù)被該中斷喚醒，則高優(yōu)先級的任務(wù)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(nèi)核分析 uC/OSII 的組成主要可分為核心、任務(wù)處理、時間管理、任務(wù)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(wù)調(diào)度、事件處理等。它是系統(tǒng)內(nèi)核功能的部分。 任務(wù)處理部分（ ）定義各種任務(wù)操作，包括任務(wù)的建立、掛起、恢復(fù)和刪除，以及任務(wù)優(yōu)先級變更、任務(wù)堆棧分配等。任務(wù)是 uC/OSII 的基本調(diào)度單