【正文】 內(nèi)核的加載和文件系統(tǒng)的掛載，利于系統(tǒng)內(nèi)核的和用戶程序的調(diào)試，缺點(diǎn)是會浪費(fèi)一部分空間[29]。1) BootLoader系統(tǒng)引導(dǎo)程序主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)初始化系統(tǒng)資源，包括 PSRAM，然后將系統(tǒng)控制權(quán)交給操作系統(tǒng)，控制權(quán)交給操作系統(tǒng)后，系統(tǒng)的運(yùn)行和BootLoader再無任何關(guān)系。在實(shí)際設(shè)計(jì)中可以參考一些開源的 BootLoader 軟件工程，本論文會在第五章中將講述BootLoader在開發(fā)板上的移植。2) uClinux內(nèi)核uClinux內(nèi)核完成的功能和大家熟悉的Linux內(nèi)核相同，包括設(shè)備驅(qū)動、進(jìn)程調(diào)度、文件系統(tǒng)管理、網(wǎng)絡(luò)接口和進(jìn)程間通信（IPC)。使用未壓縮的系統(tǒng)內(nèi)核，一般要占用400K字節(jié)到900K字節(jié)空間，如果是壓縮后的系統(tǒng)內(nèi)核，則占用空間一般在300K字節(jié)到500K字節(jié)之間。uClinux的內(nèi)核主要包括五個子系統(tǒng)如圖35所示：圖35 uClinux內(nèi)核結(jié)構(gòu)Figure 35 Block Diagram of uClinux Kernel216。 進(jìn)程調(diào)度（SCHED）控制著進(jìn)程對CPU的訪問，調(diào)度程序使用一種較簡單的基于優(yōu)先級的進(jìn)程調(diào)度算法使所有進(jìn)程能公平地訪問CPU，確保內(nèi)核在任意時刻執(zhí)行必要的硬件操作。216。 內(nèi)存管理（MM）允許多個進(jìn)程安全地共享主內(nèi)存區(qū)域。并且支持虛擬內(nèi)存，使得進(jìn)程可以使用超過實(shí)際內(nèi)存大小的地址內(nèi)存空間，不用的塊保留在磁盤上，在需要時導(dǎo)入物理內(nèi)存中。216。 虛擬文件系統(tǒng)（Virtul File System，VFS）隱藏了各種不同硬件的具體細(xì)節(jié)，為所有設(shè)備提供了統(tǒng)一的接口。VFS 可分為邏輯文件系統(tǒng)和設(shè)備驅(qū)動程序，邏輯文件系統(tǒng)指 Linux 所支持的文件系統(tǒng)如ext2，F(xiàn)AT等，設(shè)備驅(qū)動程序指的是為每一種硬件控制器所編寫的驅(qū)動程序。216。 網(wǎng)絡(luò)接口（NET）提供對各種網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的存取和各種網(wǎng)絡(luò)硬件的支持。網(wǎng)絡(luò)接口可分為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序兩部分，前者負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)每一種可能的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，后者負(fù)責(zé)與硬件設(shè)備進(jìn)行通信，每一種可能的硬件設(shè)備都有相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動程序。216。 進(jìn)程間通信（IPC）支持系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)程間通信機(jī)制[30]。3) 文件系統(tǒng)文件系統(tǒng)主要存儲用戶應(yīng)用程序，同時包括系統(tǒng)配置文件、系統(tǒng)程序和必需的驅(qū)動程序，其占用空間由用戶的應(yīng)用程序規(guī)模決定，從200K字節(jié)到1M字節(jié)不等。 軟件設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)(Composition Structure of uClinux)1. BootLoader的移植BootLoader 就是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行之前運(yùn)行的一段引導(dǎo)程序。通過這段程序，可以初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間的映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個合適的狀態(tài)，以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備好環(huán)境。負(fù)責(zé) uClinux 內(nèi)核的啟動，它用于初始化系統(tǒng)資源，包括 PSRAM。這部分代碼用于建立 uClinux 內(nèi)核運(yùn)行環(huán)境和從Flash中裝載初始化ramdisk。這是進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。2. uClinux內(nèi)核的剪裁與移植由于所采用的處理器已被uClinux支持，所以只需要板級移植。板級移植需要在 linux/arch/platform/中根據(jù)基于LPC2210的具體硬件設(shè)計(jì)，建立一個相應(yīng)板的目錄， 。同時根據(jù)錨桿測力儀的功能的需要對內(nèi)核進(jìn)行剪裁。3. 功能模塊的編寫從錨桿檢測應(yīng)力儀的實(shí)際需求出發(fā)，需要設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、人機(jī)交互模塊和數(shù)據(jù)處理分析等功能模塊。其中人機(jī)交互模塊和數(shù)據(jù)處理軟件體現(xiàn)了基于嵌入式錨桿檢測應(yīng)力儀的多功能和智能化，是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。4 硬件電路設(shè)計(jì)4 硬件電路設(shè)計(jì)4 Hardware Circuit Design錨桿檢測系統(tǒng)的主要用途是通過對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和研究對巷道中錨桿錨固質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測。根據(jù)任務(wù)要求設(shè)計(jì)基于嵌入式的數(shù)據(jù)采集電路。經(jīng)過調(diào)理電路的模擬信號經(jīng)過AD芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并行送給微處理器，處理器將數(shù)據(jù)實(shí)時在LCD上顯示，同時將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到便攜式USB存儲塊中。完成這樣一個工作需要該系統(tǒng)包含如圖41所示的幾部分。 圖41硬件平臺總體結(jié)構(gòu)Figure 41 Overall Structure of Hardware Platform一個嵌入式處理器是不能獨(dú)立工作的，必須給它供電、加上時鐘信號、提供復(fù)位信號，如果芯片沒有片內(nèi)程序存儲器，則還要加上存儲器系統(tǒng)，然后嵌入式處理器才可能工作。ARM7理器核的微控制器都有調(diào)試接口，這部分在開發(fā)時很重要。這些提供嵌入式處理器運(yùn)行所必須的條件的電路與嵌入式處理器共同構(gòu)成了這個嵌入式處理器的最小系統(tǒng)：LPC2210+電源電路+晶振電路+復(fù)位電路+ JTAG接口電路。但是由于LPC2210內(nèi)部的RAM只有16KB，所以會對程序的大小有所限制且掉電后無法保存。故在本設(shè)計(jì)中，對最小系統(tǒng)進(jìn)行了擴(kuò)展：LPC2210最小系統(tǒng)+ PSRAM + FLASH電路可構(gòu)成一個擴(kuò)展的嵌入式系統(tǒng)。在擴(kuò)展電路的基礎(chǔ)上加入功能模塊：數(shù)據(jù)采集模塊＋人機(jī)交互模塊＋USB模塊，就構(gòu)成了嵌入式錨桿測力儀的硬件系統(tǒng)。(Design of Minimum System) 電源模塊(Power Module)電源模塊：電源模塊是整個系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)，它為處理器和各個部件提供工作電壓。系統(tǒng)對電源模塊的要求一般有兩個：第一，能夠提供系統(tǒng)所需要的功率；第二，能夠穩(wěn)定的輸出工作電壓。LPC2210需要雙電源供電：CPU操作電壓范圍：177。；I/O操作電壓范圍：177。10％。且需要兩組電源，分別為數(shù)字電源和模擬電源。具體的設(shè)計(jì)方法為：將5V電源經(jīng)過電容濾波后，一組用作模擬電源，一組用作數(shù)字電源。另外，模擬地和數(shù)字地通過一個10uH的電感將高頻噪聲隔離，以降低噪聲干擾，如圖42所示。 圖42 Figure42 Power Circuit采用同樣的設(shè)計(jì)方法，如圖43所示。圖43 Figure43 Power Circuit 復(fù)位電路(Reset Circuit)由于ARM芯片的高速、低功耗、低工作電壓導(dǎo)致其噪聲容限低，對電源的波紋、瞬態(tài)響應(yīng)性能、時鐘源的穩(wěn)定性、電源的監(jiān)控可靠性等諸多方面也提出了更高的要求。本設(shè)計(jì)的復(fù)位電路使用了電源監(jiān)控芯片CAT1025JI30（~），提高了系統(tǒng)的可靠性。如圖44復(fù)位電路，手動復(fù)位按鍵輸入低電平到(Manual Reset Input)，則輸出低電平復(fù)位信號。并且當(dāng)VCC輸入電壓低于復(fù)位閥值電壓時將自動輸出復(fù)位信號，提供了一個精確的電源監(jiān)控電路[31]。圖44 復(fù)位電路Figure44 Reset Circuit 存儲器擴(kuò)展(Memory Expansion)LPC2210微處理器 有16 kB 片內(nèi)SRAM，用于代碼和數(shù)據(jù)的存儲。SRAM支持8位、16位和32位訪問。SRAM控制器包含一個回寫緩存區(qū)，它用于防止CPU在連續(xù)寫操作時停止運(yùn)行。回寫緩存區(qū)總是保持著軟件發(fā)送到SRAM的最后一個數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)中的訪問地址為：0x40000000～0x40003FFF。LPC2210具備外部存儲器接口，通過外部存儲器控制器（EMC）可以擴(kuò)展4個Bank的存儲器組（Bank0～Bank3），每塊存儲器的尋址空間為16M。由于LPC2210的EMC符合ARM公司的PL090標(biāo)準(zhǔn)，所以總線的寬度可以設(shè)置為8位、16位、32位。在本設(shè)計(jì)中的總線寬度設(shè)置為16位，這樣存儲器具有較高的性價比。如圖45說明了EMC與外部存儲器的連接的情況。LPC2210微控制器的引腳地址輸出線為A[23:0]，其中地址為A[25:24]用于4個存儲器組的譯碼。4個存儲器組的有效區(qū)域位于外部存儲器的起始部分，地址如表41所列。地址線A0、A1的選擇與外擴(kuò)存儲器位數(shù)有關(guān)，系統(tǒng)采用16bit寬度所以無需使用A0。在引腳BOOT[1:0]的狀態(tài)控制下，Bank0可用于引導(dǎo)程序運(yùn)行，（BOOT1:0=01 選擇引導(dǎo)CS0控制的16位存儲器）。Bank0～Bank3的片選信號分別為CS0~CS3，其讀寫等有關(guān)參數(shù)由BCFG（外部存儲器控制寄存器）來確定。圖45 EMC與外部存儲器連接示意圖Figure45 EMC amp。 External Memory Linking Figure表41外部存儲器地址范圍Table 41 External Memory Address MapBank地址范圍配置寄存器00x80000000～0x80FFFFFFBCFG010x81000000～0x81FFFFFFBCFG120x82000000～0x82FFFFFFBCFG230x83000000～0x83FFFFFFBCFG3由于LPC2210無片內(nèi)FLASH程序存儲器，系統(tǒng)擴(kuò)展BANK0中0x80000000～0x807FFFFF中共8M空間用來存放BootLoader、uClinux內(nèi)核以及文件系統(tǒng)等；16K的片內(nèi)RAM不能滿足本系統(tǒng)運(yùn)行的需要，設(shè)計(jì)者占用BANK1空間0x81000000～0x817FFFFF共8M空間擴(kuò)展了PSRAM，主要用來作程序的運(yùn)行空間、數(shù)據(jù)及堆棧區(qū)。1. PSRAM當(dāng)系統(tǒng)啟動時，CPU首先從復(fù)位地址0x0處讀取啟動代碼，完成系統(tǒng)的初始化后，程序代碼將會從慢速的FLASH存儲器中載入PSRAM中運(yùn)行，同時也可作為運(yùn)行過程中的內(nèi)存空間，以提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度和效率。PSRAM即假靜態(tài)隨機(jī)存儲器。具有一個單晶體管的DRAM儲存格，與傳統(tǒng)具有六個晶體管的SRAM儲存格或是四個晶體管與twoload resistor SRAM 儲存格大不相同，內(nèi)部的內(nèi)存顆粒跟PSRAM的顆粒相似，但外部的接口跟SRAM相似，不需要PSRAM那樣復(fù)雜的控制器和刷新機(jī)制，PSRAM的接口跟SRAM的接口是一樣的，內(nèi)部的DRAM架構(gòu)給予PSRAM一些比lowpower 6T SRAM優(yōu)異的長處。與SRAM（采用6T的技術(shù)）相比，PSRAM采用的是1T+1C的技術(shù),所以在體積上更??；比較于PSRAM，PSRAM的功耗要低很多?？紤]到錨桿檢測應(yīng)力儀對存儲容量、功耗、成本的要求，PSRAM是該便攜式產(chǎn)品是一個理想的選擇。本設(shè)計(jì)采用的是CellularRAM系列中的MT45W4MW16，是一個4Meg16位的8MB器件，為了降低功耗，I/，能夠兼容LPC2210存儲總線接口。電路如圖46圖46 PSRAM存儲器連接電路Figure46 PSRAM Memory Linking CircuitMT45W4MW16存儲器16條數(shù)據(jù)線、片選、23條地址線分別與LPC2210 D0~D1A1~A23連接,占用0x81000000～0x817FFFFF共8M空間；同時將相互兼容的讀寫信號、對應(yīng)連接。為了能夠?qū)υ揚(yáng)SRAM存儲器的字單元進(jìn)行單獨(dú)的字節(jié)操作，將LPC2210的、引腳分別連接到、引腳。2. FLASH存儲器擴(kuò)展的NOR FLASH用來存放系統(tǒng)引導(dǎo)程序BootLoader程序。由于LPC2210微處理器的中斷向量可以重新映射，這樣允許它們位于片內(nèi)引導(dǎo)裝載程序，即可以在系統(tǒng)上電或復(fù)位后能夠立刻從擴(kuò)展的NOR FLASH中開始運(yùn)行初始化代碼。FLASH存儲器是一種可在系統(tǒng)進(jìn)行電擦寫、調(diào)電后信息不丟失的存儲器。它具有低功耗、大容量、擦寫速度快、可整片或分扇區(qū)地在系統(tǒng)編程（燒寫）、擦除等特點(diǎn)，是嵌入式系統(tǒng)的首選存儲設(shè)備。NOR FLASH是現(xiàn)在市場上主要的非易失閃存技術(shù)。其采用的是SRAM接口，能夠提供足夠的地址引腳來尋址，可以很容易地存取其片內(nèi)地每一個字節(jié)，所以存放在FLASH里的程序可以直接執(zhí)行；并且NOR FLASH的地址線和數(shù)據(jù)線是分開的，這樣傳輸速率很高，程序可以在芯片內(nèi)執(zhí)行；在NOR FLASH上運(yùn)行代碼不需要任何的軟件支持，屬于芯片內(nèi)執(zhí)行(XIP, eXecute In Place)，這樣應(yīng)用程序可以直接在NOR FLASH閃存內(nèi)運(yùn)行，不必再把代碼讀到系統(tǒng)RAM中。在1～4MB的小容量時具有很高的成本效益[32]。選用的芯片是SST公司的CMOS多功能型SST39VF6401，其存儲量位4MB。16位數(shù)據(jù)寬度，～，能與LPC2210總線兼容。其引腳描述如表42所列。表42 SST39VF6401引腳描述Table 42 Pins description of SST39VF6401符號引腳名稱功能A21~A0地址輸入存儲器地址。扇區(qū)擦除時，A21～A11用來選擇扇區(qū)；塊擦除時，A19～A15用來選擇塊DQ15~DQ0數(shù)據(jù)輸入/輸出讀周期內(nèi)輸出數(shù)據(jù)寫周期內(nèi)輸入數(shù)據(jù)寫周期內(nèi)數(shù)據(jù)內(nèi)部鎖存OE或CE為高時輸出為三態(tài)CE芯片使能CE為低時啟動器件開始工作OE輸出使能數(shù)據(jù)輸出緩存器的門控信號WE寫使能控制寫操作VDD、VSS電源、電源地供給電源電壓：～SST39VF6401的片選信號、數(shù)據(jù)、地址總線分別與LPC2210 、D0~1A1~22連接，并將相應(yīng)讀寫信號直接連接。當(dāng)采用16位總線時，LPC2210的A0引腳無需使用，該FLASH芯片占用LPC2210 BANK0空間，其訪問地址為0x8000000～0x807FFFFF。這樣在LPC2210引腳BOOT1:0＝01控制下，系統(tǒng)可以由該存儲器0x80000000引導(dǎo)程序運(yùn)行，那么系統(tǒng)BootLoader程序就應(yīng)該燒寫在該芯片中。電路如圖47所示。圖47 FLASH存儲器連接電路Figure 47 FLASH Memory Linking Circuit為了簡化電路設(shè)計(jì)省去NAND FLASH擴(kuò)展，直接將軟件需要用到的uClinux操作系統(tǒng)、以及文件系統(tǒng)和驅(qū)動、應(yīng)用程序等一并放入到該FLASH存儲器中，在上電時候進(jìn)行加載，完成系統(tǒng)運(yùn)行。 系統(tǒng)時鐘電路(System Clock Ci