【正文】 及異常處理等工作。不同應(yīng)用系統(tǒng)的用戶應(yīng)用程序也不盡相同。 嵌入式系統(tǒng)特點(diǎn) 與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相比，嵌入式系統(tǒng)一般具有體積小、功耗低、實(shí)時(shí)性強(qiáng)和可靠性高等特點(diǎn)。 嵌入式系統(tǒng)和具有應(yīng)用緊密結(jié)合在一起，使得它的升級(jí)換代和具體產(chǎn)品同步進(jìn)行。因此，嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品一旦進(jìn)入市場，便具有較長的生命周期。 各不相同的應(yīng)用領(lǐng)域決定了嵌入式系統(tǒng)行業(yè)是不可壟斷的、高度分散的， 充滿競爭、機(jī)遇與創(chuàng)新，即便在體系結(jié)構(gòu)上存在著主流，也沒有哪一個(gè)系列的處理器和操作系統(tǒng)能夠壟斷全部市場。 另外，嵌入式系統(tǒng)是被嵌入的設(shè)備機(jī)密相連的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，有很強(qiáng)的專用性，這就決定了其硬件平臺(tái)的多樣性，必須根據(jù)應(yīng)用的不同，設(shè)計(jì)專門的硬件平臺(tái)：也正因?yàn)槿绱耍瑢?dǎo)致了用戶軟件必須根據(jù)功能和硬件的差別來 “量體裁衣 ”，一般要針對具體的硬件平臺(tái)進(jìn)行操作系統(tǒng)的移植和應(yīng)用程序的重新編寫。 哈爾濱遠(yuǎn)東理工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 5 嵌入式系統(tǒng)的開發(fā) 根據(jù)嵌入式系統(tǒng)硬件多樣化和軟硬結(jié)合緊密的特點(diǎn)，目前比較常用的開發(fā)方法有兩種：軟硬件分離設(shè)計(jì)方法和軟硬件協(xié) 同設(shè)計(jì)方法。 。在計(jì)算機(jī)科學(xué)發(fā)展初期，軟硬件的設(shè)計(jì)流程截然不同，軟件設(shè)計(jì)者編寫程序，硬件設(shè)計(jì)者連接元件，兩者的設(shè)計(jì)不可能交互，必須單獨(dú)進(jìn)行。這種設(shè)計(jì)者編寫程序，硬件設(shè)計(jì)者連接元件，兩者的設(shè)計(jì)不可能交互，必須單獨(dú)進(jìn)行。這種傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法被稱為 “軟硬件分離設(shè)計(jì) ”。在此方法中，軟硬件劃分在系統(tǒng)開發(fā)的初期進(jìn)行，一次性劃分后軟件和硬件所分配的功能就不能改變。軟件通過編寫程序運(yùn)行在微處理器上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全或大部分功能，硬件則主要通過 “板級(jí) ”專用電路為軟件運(yùn)行提供平臺(tái)。這種設(shè)計(jì)方法可使軟硬件開發(fā)并行推 進(jìn)，但聯(lián)調(diào)必須等到軟硬件都開發(fā)出來后才能進(jìn)行。由于軟硬件開發(fā)過程割裂和最初的功能劃分不協(xié)調(diào)等原因，可能會(huì)暴露出很多問題，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致系統(tǒng)重新開發(fā)。 。隨著近年來 SoC 技術(shù)的進(jìn)步，軟件編譯和硬件綜合技術(shù)的并行發(fā)展，如今兩個(gè)領(lǐng)域都可以時(shí)序程序描述行為作為設(shè)計(jì)的起點(diǎn)，如軟件使用 C 語言、硬件使用 HDL 進(jìn)行描述。這使得軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)成為可能。此方法中，對于某個(gè)特定功能的軟硬件劃分主要是取決于性能、功率、大小和靈活性等設(shè)計(jì)指標(biāo)，沒有本質(zhì)的區(qū)別。軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)可在設(shè)計(jì)過程的各個(gè)階段同時(shí)考慮兩者的功能和 性能，找到其最佳組合方式，并且在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)前就可以進(jìn)行協(xié)同仿真和驗(yàn)證，保證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性和完整性。 如何簡潔有效地開發(fā)出應(yīng)用于各種不同環(huán)境的嵌入式系統(tǒng)，是嵌入式系統(tǒng)發(fā)展中所必須解決的關(guān)鍵問題。 嵌入式控制器硬件平臺(tái) 微處理器 ARM 即 Advanced RISC Machines 的縮寫。 1990 年 ARM 公司成立于英國劍橋，主要從事芯片知識(shí)產(chǎn)權(quán) (IP)核的設(shè)計(jì)。它本身并不生產(chǎn)芯片，靠轉(zhuǎn)讓技術(shù)授權(quán)給世界上許多著名的半導(dǎo)體 、軟件和 OEM 廠商來生產(chǎn)各具特色的芯片。 ARM 處理器 具有三個(gè)顯著的特點(diǎn)，一、耗電少、成本低、功能強(qiáng)；二、 16 位 /32 位雙指令集；三、全球眾多合作伙伴保證芯片供應(yīng)。 ARM 處理器當(dāng)前有 6 個(gè)產(chǎn)品系列： ARM ARM ARM9E、 ARM10E、ARM11 和 SecurCore，其中 ARM11 為最近推出的產(chǎn)品。進(jìn)一步的產(chǎn)品來自于合作伙伴，例如 Intel Xscale。 ARM7 內(nèi)核采用馮 ?諾伊曼體系結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)和指令使用同一條總線。內(nèi)核執(zhí)行 ARMv4指令集，有一條 3 級(jí)流水線，可使取指、譯碼、執(zhí)行三個(gè)操作同時(shí)進(jìn)行，并使處理和存儲(chǔ)器系統(tǒng)連續(xù)操作，能提供 ，主頻在 20MHz133MHz之間。 ARM7系統(tǒng)包括 ARM7TDMI、 ARM7TDMIS、帶有高速緩存處理器宏單元的 ARM720T 和擴(kuò)充了 Jazelle 的 ARM7EJS 四種類型，主要用于適應(yīng)不同的市場需求。 ARM7 系列處理器主要用于對功耗和成本要求比較苛刻的消費(fèi)類產(chǎn)品和嵌入式設(shè)備，包括 Inter 設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和調(diào)制解調(diào)器設(shè)備以及移動(dòng)電話、 PDA 等無線設(shè)備。 本課題采用了 ARM7TDMIS 內(nèi)核的微處理器。內(nèi)核命名的具體含義是 T 16 位壓縮指令集 Thumb D 在片調(diào)試 (debug)支持，允許處理器響應(yīng)調(diào)試請求暫停 M 增強(qiáng)型乘法器 (multiplier)，與以前處理器相比性能更高，產(chǎn)生全 64 位結(jié)果 I 嵌入式 ICE 硬件提供片上斷點(diǎn)和調(diào)試點(diǎn)支持 S 可綜合 (synthesizable)版本 哈爾濱遠(yuǎn)東理工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 6 ARM7TDMIS 同樣是基于精簡指令集計(jì)算機(jī) (RISC)原理而設(shè)計(jì)，指令集和相關(guān)的譯碼機(jī)制比復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)要簡單的多，實(shí)現(xiàn)了高的指令吞吐量，出色的實(shí)時(shí)中斷響應(yīng)，小的、高性價(jià)比的處理器宏單元。 基于 ARM7 的硬件平臺(tái) 本課題選用了周立功單片機(jī)公司的產(chǎn)品 EasyARM2200 作為嵌入式組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境的研究基礎(chǔ)。 EasyARM2200 開發(fā)板是一款功能強(qiáng)大的 32 位 ARM 單片機(jī)開發(fā)板，采用了NXP 公司以 ARM7TDMIS 為內(nèi)核、總線開放的單片機(jī) LPC2210. LPC2210是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的 16/32位 ARM7TDMIS CPU的微控制器，144 腳 LQFP 封裝， 、 I/。具體特性如下： 靜態(tài) RAM 8 位、 16 位或 32 位總線 4 組，每組的容量高達(dá) 16MB 路 10 位 A/D 轉(zhuǎn)化器，轉(zhuǎn)換時(shí)間低至 個(gè) 32 位定時(shí)器 (帶 4 路捕獲和 4 路比較通道 )、 PWM 單元 (6 路輸出 )、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和看門狗 ，包括 2 個(gè) 16C550 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) UART、高速 I178。C 接口 (400Kbps)和 2 個(gè)SPI 接口 PLL可實(shí)現(xiàn)最大為 60MHz的 CPU操作頻率 ，可配配置優(yōu)先級(jí)和向量地址 I/O 口 (可承受 V電壓 )， 12 個(gè)獨(dú)立外部中斷引腳 (EINT 和 CAP 功能 ) 個(gè)低功耗模式：空閑和掉電，通過外部中斷可將處理器從掉電模式中喚醒 /禁止外部功能來優(yōu)化功耗 EasyARM2200 開發(fā)板的硬件配置如下 : ，可選用多種兼容芯片 針 JTAG 接口，支持 集成開發(fā)環(huán)境 位 SRAM， 16M 位 Flash 網(wǎng)卡芯片和 RJ45 以太網(wǎng)接口 個(gè) RS232 串口， 1 個(gè)支持標(biāo)準(zhǔn) Modem IDE 硬盤接口和 CF 存儲(chǔ)卡接口 個(gè)按鍵和 8 個(gè) LED 八段碼 接口和 PWM 輸出接口 嵌入式組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖 21 所示： 嵌入式操作系統(tǒng) 嵌入式操作系統(tǒng)簡介 在嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的初期，由于硬件資源有限 (微處理器運(yùn)算速度低， ROM/RAM 容量小等 )，系統(tǒng)規(guī)模小，控制功能簡單，軟件部分一般不包括嵌入式操作系統(tǒng)，只是針對具體的應(yīng)用編寫軟件代碼。 哈爾濱遠(yuǎn)東理工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 7 圖 21 嵌入式組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在目前的嵌入式應(yīng)用中用得越來越廣泛，尤其在功能復(fù)雜、系統(tǒng)龐大的應(yīng)用中顯得越來越重要。首先，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)提高了系統(tǒng)的可靠性。長期以來，前后臺(tái) 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)在遇到強(qiáng)干擾時(shí)，運(yùn)行的程序可能產(chǎn)生異常、出錯(cuò)、跑飛甚至死循環(huán)，造成了系統(tǒng)的崩潰。而實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)管理的系統(tǒng)。這種干擾可能只是引起若干進(jìn)程中的一個(gè)被破壞，可以通過系統(tǒng)運(yùn)行的系統(tǒng)監(jiān)控進(jìn)程對其進(jìn)行修復(fù)。其次提高了開發(fā)效率，縮短了開發(fā)周期。在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)環(huán)境下，開發(fā)一個(gè)復(fù)雜的應(yīng)用程序，通?？梢园凑哲浖こ讨械慕怦钤瓌t將整個(gè)程序分解為多個(gè)任務(wù)模塊。每個(gè)任務(wù)模塊的調(diào)試、修改幾乎不影響其他模塊。再次，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)充分發(fā)揮了 32 位 CPU的多任務(wù)潛力。 32位 CPU比 8 位、 16 位 CPU 運(yùn)行快，另外它本來就 是為運(yùn)行多用戶、多任務(wù)操作系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的，特別適于運(yùn)行多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。如果還是采用以前的前后臺(tái)方式，則無法發(fā)揮32 位 CPU的優(yōu)勢。在嵌入式應(yīng)用中，只有把 CPU嵌入到系統(tǒng)中，同時(shí)又把操作系統(tǒng)嵌入進(jìn)去，才是真正的計(jì)算機(jī)嵌入式應(yīng)用。 嵌入式操作系統(tǒng)有以下幾大特點(diǎn)： 。嵌入式系統(tǒng)的操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件一般都固化在 ROM、 Flash 等中，其存儲(chǔ)容量有限，所以嵌入式操作系統(tǒng)必須做到規(guī)模小以滿足嵌入式系統(tǒng)硬件的限制。 。是指能夠在限定時(shí)間內(nèi)執(zhí)行完規(guī)定的功能并對外部的異步事件做出響應(yīng) 的能力。嵌 入式系統(tǒng)一般是為完成一系列具體任務(wù)而設(shè)計(jì)，因而總是要求系統(tǒng)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成某些操作，對中斷能做出及時(shí)準(zhǔn)確的響應(yīng)，所以嵌入式操作系統(tǒng)必須具備實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)。 。包含弱交互性和強(qiáng)穩(wěn)定性兩層意思。嵌入式操作系統(tǒng)開始運(yùn)行后就不需要人過多的干預(yù)。它的用戶接口一般不提供操作命令，只是通過系統(tǒng)調(diào)用命令向用戶程序提供服務(wù)。由于沒有人為干預(yù)，而嵌入式系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境一般又較 PC 運(yùn)行環(huán)境惡劣。車載、太空、強(qiáng)電干擾、輻射等等，都有可能造成系統(tǒng)運(yùn)行指令的紊亂。因此要求嵌入式操作系統(tǒng)有很強(qiáng)的穩(wěn)定性，在一些進(jìn)程被損壞時(shí)可以進(jìn)行 修復(fù)、清楚等操作。 。當(dāng)一個(gè)微處理器最初啟動(dòng)時(shí)，它首先執(zhí)行一個(gè)預(yù)定地址處的指令。通常這個(gè)位置是只讀內(nèi)存。其中存放著系統(tǒng)初始化或引導(dǎo)程序，在 PC 中，它就是 BIOS。單色 LCD 240X128dots 基于 ARM7TDMIS 核的微處理器 LCP2210 鍵盤 UART RS232 串口 存儲(chǔ)器系統(tǒng) SARM Flash A/D 采樣接口電路 脈沖信號(hào)檢測接口電路 D/A輸出接口電路 哈爾濱遠(yuǎn)東理工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 8 而在嵌入式系統(tǒng)中，由于沒有 BIOS，系統(tǒng)加電后直接執(zhí)行嵌入式操作系統(tǒng)代碼，因此在嵌入式操作系統(tǒng)的啟動(dòng)代碼中需要考慮目標(biāo)板的設(shè)計(jì)。 、可移植。因所需完成的目標(biāo)不同，嵌入式操作系統(tǒng)必須能夠根據(jù)應(yīng)用的要求進(jìn)行裁剪，去掉多余的部分，或者簡化相應(yīng)的模塊。另外由于硬件平臺(tái)的多樣性，所以嵌入式操作系統(tǒng)還要具有較好的可移植性，來適應(yīng)不同 的微處理器。 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) μC/OSII 目前市場上有很多種嵌入式操作系統(tǒng)，常見的有：嵌入式 Linux、 Windows CE、VxWorks、 Nucleus、 μC/OSII等?？紤]到版權(quán)費(fèi)用，源代碼開放和獲取渠道等問題，本課題的研究將使用 μC/OSII 作為嵌入式組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境的操作系統(tǒng)。 μC/OSII 讀作 “micro C O S 2”，意為 “微控制器操作系統(tǒng)版本 2”。 μC/OSII 是一個(gè)完整的，可移植、固化、裁剪的占先式實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核。 μC/OSII 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。至今， μC/OSII 已在照相機(jī)行業(yè)、航空業(yè)、高端音響、醫(yī)療器械、電子樂器、發(fā)動(dòng)機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)置、高速公路電話系統(tǒng)、自動(dòng)提款機(jī)及工業(yè)機(jī)器人等眾多領(lǐng)域內(nèi)廣泛應(yīng)用。 μC/OSII 有以下一些特點(diǎn)： ， μC/OSII的源代碼可從 MicroC/OSII The RealTime Kernel， Second Edition一書中獲得，也可從其他出版物或網(wǎng)絡(luò)上獲得。源代碼標(biāo)有詳盡的注解清晰易讀、結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)。 (portable)。 μC/OSII 源碼絕大部分是用移植性很強(qiáng)的 ANSI C 寫的，與微處理器硬件相關(guān)的部分是用匯編語言寫的。匯編語言寫的部分已經(jīng)壓到最低限度，以使μC/OSII 便于移植到其他微處理器上。 (ROMable)。 μC/OSII是為嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，這就意味著，只要具備核實(shí)的系列軟件工具 (C 編譯、匯編、鏈接及下載 /固化 )，實(shí)際上就可以將 μC/OSII 嵌入到產(chǎn)品中作為產(chǎn)品的一部分。 (scalable)?？筛鶕?jù)具體應(yīng)用程序的需要來選擇使用 μC/OSII 中的系統(tǒng)服務(wù)，這樣可以減少產(chǎn)品中 μC/OSII 所需的存儲(chǔ)空間 (RAM 和 ROM)。 (preemptive)。 μC/OSII 是完全可剝奪型的實(shí)時(shí)內(nèi)核，即 μC/OSII 總是運(yùn)行就緒條件下優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)。 。 μC/OSII 可以管理 64 個(gè)任務(wù)，其中建議保留 8 個(gè)給系統(tǒng)任務(wù)，這樣用戶的應(yīng)用程序最多可有 56 個(gè)任務(wù)，賦予每個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)必須是不相同的，所以 μC/OSII 不支持時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度法 (roundrobin scheduling)。 。絕大多數(shù) μC/OSII 的函數(shù)調(diào)用和服務(wù)的執(zhí)行時(shí)間具有可確定性。也就是說 ，用戶總是能知道 μC/OSII 的函數(shù)調(diào)用與服務(wù)執(zhí)行了多長時(shí)間，并且執(zhí)行時(shí)間不依賴于用戶應(yīng)用程序任務(wù)數(shù)目的多少。 。每個(gè)任務(wù)都有自己單獨(dú)的棧。 μC/OSII 語序每個(gè)任務(wù)有不同的?？臻g，以便壓低應(yīng)用程序?qū)?RAM 的需求。使用 μC/OSII的?？臻g校驗(yàn)函數(shù)，可以確定每個(gè)任務(wù)到底需要多少?？臻g。 。 μC/OSII 提供很多系統(tǒng)服務(wù)，例如信號(hào)量、互斥型信號(hào)量、時(shí)間標(biāo)志、消息郵箱、消息隊(duì)列、內(nèi)存塊的申請與釋放及時(shí)間管理函數(shù)等。 哈爾濱遠(yuǎn)東理工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 9 。中斷可以使正在執(zhí)行的任務(wù)暫時(shí)掛起。如果優(yōu)先級(jí)更高的 任務(wù)被中斷喚醒，則高優(yōu)先級(jí)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(dá)到 25