【正文】 戶的測試及維護； g．JTAG接口可對芯片內(nèi)部的所有部件進行訪問，通過該接口可對系統(tǒng)進 行調(diào)試、編程等； h．系統(tǒng)總線擴展引出了數(shù)據(jù)總線、地址總線和必須的控制總線，便于以后根據(jù)系統(tǒng)需求，擴展外圍電路。 i．電源模塊為整個系統(tǒng)的運行提供了穩(wěn)定的電源供應(yīng)。 為了讓更多的時間和精力投入于整個系統(tǒng)核心部分的研究，即軟件層面的設(shè)計，所以對整個硬件系統(tǒng)的實現(xiàn)盡量依靠開發(fā)平臺，只對特殊的硬件模塊作設(shè)計，如攝像頭接口電路、GPRS通訊模塊等。 西安工業(yè)大學碩士學位論文 12 系統(tǒng)軟件模塊框圖 該系統(tǒng)的所有軟件都是基于嵌入式實時操作系統(tǒng)181。C/OSII 設(shè)計的。其系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖 所示。 通信機制通信機制UART0中斷處理 uc/OSII內(nèi)核 網(wǎng)絡(luò)中斷處理采圖像任務(wù) GPRS發(fā)送任務(wù)系統(tǒng)初始化任務(wù)Web Server任務(wù)運動檢測任務(wù) LED顯示等任務(wù) 圖 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖 該系統(tǒng)軟件的總體結(jié)構(gòu)可分為181。C/OS 內(nèi)核、中間件（外圍部件驅(qū)動）、各級任務(wù)等三層。由181。C/OS 內(nèi)核統(tǒng)一管理 ARM 處理器的 CPU 使用權(quán)、各級任務(wù)間的調(diào)度和通信等；各個外圍部件的驅(qū)動以中間件的形式加入到系統(tǒng)軟件中，由任務(wù)調(diào)用；各個任務(wù)是可并行、相對獨立的功能單元，協(xié)調(diào)工作完成系統(tǒng)功能。 ARM處理器、uc/OS初始化外設(shè)、IP協(xié)議棧初始化采BMP、JPEG圖像圖像封裝、云臺控制、LED顯示等運動目標檢測、入侵報警等Web server、無線收發(fā)等 系統(tǒng)工作階段示意圖 整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作可由圖 的系統(tǒng)工作階段示意圖來描述。系統(tǒng)一上電處于狀態(tài) 0，執(zhí)行 Timer1_Init() 初始化定時器和 OSInit()初始化181。C/OS；初始化完畢進入狀態(tài) 1，執(zhí)行外設(shè)初始化，如 UART、CMOS 圖像傳感器、TCP/IP 協(xié)議棧等初始化程序，并創(chuàng)建各級任務(wù)和相應(yīng)的消息郵箱、信號量等；之后進入狀態(tài) 2，采取 BMP 和 JPEG 圖像，并相應(yīng)的解析；之后可進入狀態(tài) 3 或狀態(tài) 4，這兩個狀態(tài)中的各個任務(wù)從宏觀上看是并行執(zhí)行的，狀態(tài) 3 完成圖像封裝、云臺控制、LED 顯示等，狀態(tài) 4 完成基于圖像的運動目標檢測、入侵報警等；之后進入狀態(tài) 5，將狀態(tài) 3 和狀態(tài) 4 的處理結(jié)果通過 Web Server或無線方式發(fā)送至遠程用戶。完成后再進入狀態(tài) 2，采集新的現(xiàn)場圖像，開始新一輪的工作，以此周而復始的在現(xiàn)場前端進行采集、控制、運算并將處理結(jié)果實時地發(fā)送至遠程用戶。 西安工業(yè)大學碩士學位論文 15（4）裝載/存儲指令集 此指令集用于把內(nèi)存中的某個字（2 字節(jié)）或多個裝入到一個或多個寄存器中，或者反之，將這些寄存器的值存儲到內(nèi)存某個位置中。 （5）處理器指令集 用于對 ARM 體系的擴展中[20]。 LPC2210 硬件資源與結(jié)構(gòu) LPC2210[17]是基于一個支持實時仿真和嵌入式跟蹤的 16/32 位 ARM7TDMIS CPU的微控制器。對代碼規(guī)模有嚴格控制的應(yīng)用可使用 16 位 Thumb 模式將代碼規(guī)模降低超過 30%，而性能的損失卻很小。 由于 LPC2210 的 144 腳封裝、極低的功耗、多個 32 位定時器、8 路 10 位 ADC、PWM 輸出以及多達 9 個外部中斷，使它們特別適用于工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng)、訪問控制和 POS 機。 通過配置總線，LPC2210 最多可提供 76 個 GPIO。由于內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口，它們也非常適合于通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、嵌入式軟 modern 以及其它各種類型的應(yīng)用。 LPC2210 的功能框圖如圖 所示。 西安工業(yè)大學碩士學位論文 16 圖 LPC2210 方框圖 LPC2210的特性： ● 16/32位144腳ARM7TDMIS微控制器。 ● 16K字節(jié)片內(nèi)靜態(tài)RAM。 ● 串行boot裝載程序通過UART0來實現(xiàn)在系統(tǒng)下載和編程。 ● 通過外部存儲器接口可將存儲器配置成4組，每組的容量高達16Mb，數(shù)據(jù)寬度為8/16/32位。 3 嵌入式核心平臺建立 133 嵌入式核心平臺建立 LPC2210 資源規(guī)劃 LPC2210是由Philips公司開發(fā)的，是一個基于16/32位ARM7TDMIS CPU的微控制器。下面首先介紹ARM微處理器，然后介紹LPC2210的資源與結(jié)構(gòu)。 ARM 微處理器體系簡介 在掌上型電子產(chǎn)品的硬件平臺中，最重要的部件主要是微處理器（MPU：Micro Process Unit）。微處理器是一個小型的CPU，其上集成了相應(yīng)的寄存器和程序指令集，用戶可以通過MPU來完成嵌入式系統(tǒng)中的程序執(zhí)行和運算功能。目前，在移動終端領(lǐng)域，獲得廣泛應(yīng)用的主要是ARM公司所推出的ARM7系列微處理器。 ARM7微處理器系列是英國ARM公司所推出的16/32位嵌入式RISC（精簡指令集）微處理器解決方案。這是一套具有高性能、低費用、高效率的RISC處理器，并且經(jīng)過特殊優(yōu)化以適應(yīng)于嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境。由于ARM 7系列處理器的優(yōu)良性能，國外大多數(shù)移動終端芯片生產(chǎn)商的硬件平臺解決方案都是基于ARM7微處理器系列的體系結(jié)構(gòu)所設(shè)計的[16]。本文的硬件平臺中所用的就是ARM7微處理器系列中的ARM7TDMIS開放平臺處理內(nèi)核。 ARM7TDMIS是通用的32位微處理器，它具有高性能和低功耗的特性。ARM結(jié)構(gòu)是基于精簡指令集計算機（RISC）原理而設(shè)計的。指令集和相關(guān)的譯碼機制比復雜指令集計算機要簡單得多。這樣使用一個小的、廉價的處理器核就可實現(xiàn)很高的指令吞吐量和實時的中斷響應(yīng)。 由于使用了流水線技術(shù)，處理和存儲系統(tǒng)的所有部分都可連續(xù)工作。通常在執(zhí)行一條指令的同時對下一條指令進行譯碼，并將第三條指令從存儲器中取出。 ARM7TDMIS處理器使用了一個被稱為THUMB的獨特結(jié)構(gòu)化策略，它非常適用于那些對存儲器有限制或者需要較高代碼密度的大批量產(chǎn)品的應(yīng)用。 在THUMB后面一個關(guān)鍵的概念是“超精簡指令集”?；旧螦RM7TDMIS處理器具有兩個指令集：標準32位ARM指令集和16位THUMB指令集。 THUMB指令集的16位指令長度使其可以達到標準ARM代碼兩倍的密度，卻仍然保持ARM的大多數(shù)性能上的優(yōu)勢，這些優(yōu)勢是使用16位寄存器的16位處理器所不具備的。因為THUMB代碼和ARM代碼一樣，在相同的32位寄存器上進行操作。THUMB代碼僅為ARM代碼規(guī)模的65%，但其性能卻相當于連接到16位存儲器系統(tǒng)的相同ARM處理器性能的160%[17]。 同時，ARM 7微處理器采用的是獨立的內(nèi)存裝載/存儲指令體系，即指令體系中只有相應(yīng)的裝載/存儲指令可以訪問系統(tǒng)中的內(nèi)存，而數(shù)據(jù)處理指令只能訪問寄存器。 以下從處理器模式定義、寄存器定義和指令集定義等三方面來具體介紹ARM 7微處西安工業(yè)大學碩士學位論文 17 ● EmbeddedICERT 接口使能斷點和觀察點。當前臺任務(wù)使用片內(nèi)RealMonitor 軟件調(diào)試時，中斷服務(wù)程序可繼續(xù)執(zhí)行。 ● 嵌入式跟蹤宏單元（ETM）支持對執(zhí)行代碼進行無干擾的高速實時跟蹤。 ● 8路10位A/D轉(zhuǎn)換器。 ● 2個32位定時器（帶4路捕獲和4路比較通道）、PWM單元（6路輸出）、實時時鐘和看門狗。 ● 多個串行接口，包括2個16C550工業(yè)標準UART、高速I2C接口（400 kbit/s）和2個SPI接口。 ● 向量中斷控制器?？膳渲脙?yōu)先級和向量地址。 ● 多達76個通用I/O口（可承受5V電壓），12個獨立外部中斷引腳（EIN和CAP功能）。 ● 通過片內(nèi)PLL可實現(xiàn)最大為60MHz的 CPU操作頻率。 ● 片內(nèi)晶振頻率范圍：1~30 MHz。 ● 2個低功耗模式：空閑和掉電。 ● 通過外部中斷將處理器從掉電模式中喚醒。 ● 可通過個別使能/禁止外部功能來優(yōu)化功耗。 ● 雙電源 — CPU操作電壓范圍：~ V( V177。 %) — I/O操作電壓范圍：~ V( V177。 10%) 嵌入式實時操作系統(tǒng)181。C/OSII 181。C/OS 內(nèi)核介紹[21][22][23][24] a．實時操作系統(tǒng)的概念、組成及特點 （1）概念 實時操作系統(tǒng)（RTOS）是具有實時性，能支持實時控制系統(tǒng)工作的操作系統(tǒng)。其首要任務(wù)是調(diào)度一切可利用的資源完成實時控制任務(wù)，其次才著眼于提高計算機系統(tǒng)的使用效率；其重要的特點是能滿足對時間的限制和要求。 從表現(xiàn)上講，實時操作系統(tǒng)是實時嵌入式系統(tǒng)在啟動之后運行的一段背景程序。應(yīng)用程序是運行在這個基礎(chǔ)之上的多個任務(wù)。實時操作系統(tǒng)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)度和異常處理等工作。在實時操作系統(tǒng)支持的系統(tǒng)中，每個任務(wù)都具有不同的優(yōu)先級別，它將根據(jù)各個任務(wù)的優(yōu)先級來動態(tài)地切換各個任務(wù)，以保證對實時性的要求。這種體系結(jié)構(gòu)簡化了編程結(jié)構(gòu)，比過去的循環(huán)控制的體系結(jié)構(gòu)有了很大的改進。 從性能上講，實時操作系統(tǒng)與普通的操作系統(tǒng)存在的區(qū)別主要體現(xiàn)在“實時”二字上。在實時計算中，系統(tǒng)的正確性不僅僅依賴計算的邏輯結(jié)果，而且依賴結(jié)果產(chǎn)生的時間。從這個角度上看，可以把實時系統(tǒng)定義成“一個能夠在指定或者確定的時間內(nèi)完成西安工業(yè)大學碩士學位論文 14理器： a．ARM7 微處理器模式定義 ARM 7 微處理器中，共支持以下七種處理器模式： ● 用戶模式(User) ● 快速中斷請求模式(FIQ: Fast Interrupt Request) ● 中斷請求模式(IRQ: Interrupt Request) ● 超級用戶模式(Supervisor) ● 丟棄模式(Abort) ● 未定義模式(Undefined) ● 系統(tǒng)模式(System) 在一般情況下，應(yīng)用程序都將運行在用戶模式下。其他幾種模式將用于一些處理器異常(Exception)狀況下，或用于測試以及其他的一些目的[18]。 b．ARM7 寄存器定義 ARM 7 微處理器中共定義了 37 個寄存器，每個寄存器的長度均為 32 位。根據(jù)不同的用途，可將其劃分為以下幾類： （1）30 個通用寄存器 在任意一種處理器模式下，只有 15 個通用寄存器可以使用，編號分別為 r0，…，r14。其中，r13 作為堆棧指針寄存器(SP：Stack Pointer)。該寄存器將由 ARM 編譯器自動使用。r14 作為鏈接寄存器(LR：Link Register)。當系統(tǒng)中發(fā)生一個子程序調(diào)用時，ARM 將用 r14 來記錄返回地址。如果返回地址已經(jīng)保存在堆棧中，則該寄存器也可以用于其它方面。 （2）程序指針（PC：Program Counter） PC 即為 r15，用于記錄程序當前的運行地址。ARM 處理器每執(zhí)行一條指令，都會把 PC 增加 4 字節(jié)。此外，相應(yīng)的分支指令（如 BL 等）也會改變 PC 的值。 （3）當前處理器狀態(tài)寄存器（SPSR：Saved Program Status Resister） SPSR 寄存器主要是在處理器異常發(fā)生時，用來保存 CPSR（CurrentProgram Status Resister）。每一種處理器模式下將使用一個 SPSR 來保存 CPSR，而用戶模式和系統(tǒng)模式下不需要 SPSR，因為該模式下不會發(fā)生異常[19]。 c．ARM7 指令集定義 所有 ARM 指令集長度均為 32 位，并且將按照字邊界進行存儲。ARM 指令集可以分為以下幾類： （1）分支指令集 分支指令集用于改變程序的執(zhí)行位置，可用于程序的跳轉(zhuǎn)或循環(huán)中。 （2）數(shù)據(jù)處理指令集 數(shù)據(jù)處理指令集將用于一般的數(shù)據(jù)處理中。該指令只能訪問寄存器，而不能訪問系統(tǒng)中的內(nèi)存。 （3）狀態(tài)寄存器訪問指令集 此指令集用于訪問 CPSR 或 SPSR 寄存器。 西安工業(yè)大學碩士學位論文 19不同的需求進行裁減?？梢哉f，181。C/OS是一個具備現(xiàn)代操作系統(tǒng)特點的RTOS，同時它結(jié)構(gòu)清晰、注解詳盡，具有良好的可擴展性和可移植性，被廣泛地應(yīng)用于各種架構(gòu)的微處理器上。 。應(yīng)用程序處于整個系統(tǒng)的頂層，每個任務(wù)都可以認為自己獨占了CPU，因此可以設(shè)計成為一個無限循環(huán)。181。C/OS處理器無關(guān)的代碼提供181。C/OS的系統(tǒng)服務(wù)，應(yīng)用程序可以使用這些API函數(shù)進行內(nèi)存管理，進程間通信以及創(chuàng)建、刪除任務(wù)等。 uC/OS的應(yīng)用程序uC/OS處理器無關(guān)代碼uC/OS編譯器相關(guān)定義 uC/OS中與處理器無關(guān)的代 uC/ uC/ uC/OS與應(yīng)用相關(guān)的設(shè)置存儲器系統(tǒng)時鐘處理器外圍設(shè)備 181。C/OS的軟硬件體系結(jié)構(gòu)圖 c．181。C/OS的任務(wù)管理機制 任務(wù)調(diào)度機制是嵌入式實時內(nèi)核的一個重要概念，也是其核心技術(shù)。由于通常的商業(yè)系統(tǒng)用戶無法獲取源代碼，不了解工作機制，也就無法進行修改和擴展，因而限制了嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用和推廣。181。C/OS是完全免費的，全部代碼都可以從Internet上獲得。了解內(nèi)核工作細節(jié)將有助于用戶將其移植到各種應(yīng)用系統(tǒng)中。 181。C/OS是可剝奪型實時多任務(wù)內(nèi)核?？蓜儕Z型的實時內(nèi)核在任何時刻都運行就緒了的最高優(yōu)先級的任務(wù)。也就是說，高優(yōu)先級的任務(wù)一旦就緒，將立刻投入運行。181。C/OS中最多可支持64個任務(wù)，分別對應(yīng)優(yōu)先級0～63，0為最高優(yōu)