數(shù)字時(shí)鐘的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、數(shù)字時(shí)鐘的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一、概述隨著信息化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，嵌入式技術(shù)也獲得了廣 闊的發(fā)展空間，嵌入式技術(shù)目前已成為通信和消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品的共同發(fā)展方向。嵌入式系統(tǒng)是 以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)，對(duì)功能、可靠性、 成本、體積、功耗等有嚴(yán)格要求的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式技術(shù)的應(yīng)用到處可見(jiàn)，應(yīng)用十分廣泛。如家庭中的數(shù)字電視、機(jī)頂盒、DVD、 超級(jí)VCD智能手機(jī)等：辦公室中的復(fù)印機(jī)、打印機(jī)、掃描儀、鍵盤(pán)燈；手持設(shè)備也用到了 嵌入式技術(shù)，包括MP3、GPS手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)等：汽車(chē)電子產(chǎn)品：電子地圖、 導(dǎo)航、車(chē)載GPS等。其他領(lǐng)域，如通信、

2、機(jī)器人等都應(yīng)用到了嵌入式技術(shù)，由此可以看出, 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展已日趨成熟了。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及其他技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)將向著更加 小、更快速、功耗更低以及互聯(lián)網(wǎng)的方向發(fā)展。本系統(tǒng)的功能是可調(diào)數(shù)字時(shí)鐘，LED顯示時(shí)間，通過(guò)鍵盤(pán)和觸摸屏均可以校對(duì)時(shí)鐘。二、系統(tǒng)的研究及實(shí)現(xiàn)（一）嵌入式系統(tǒng)的概況嵌入式系統(tǒng)被定義為：以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可剪裁、適應(yīng) 應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)是 現(xiàn)代多學(xué)科互相融合的產(chǎn)物，嵌入式系統(tǒng)無(wú)多余軟件，并且以固態(tài)化出現(xiàn)，硬件亦無(wú)多余 存儲(chǔ)器，有可靠性高、成本低、體積小、功耗少等特點(diǎn)。嵌

3、入式系統(tǒng)乂是知識(shí)密集，投資 規(guī)模大，產(chǎn)品更新?lián)Q代快，且具有不斷創(chuàng)新特征、不斷發(fā)展的系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式處理器、相關(guān)支撐硬件和嵌入式軟件系統(tǒng)組成，它是集軟硬 件于一體的可獨(dú)立工作的“器件”。嵌入式處理器主要由一個(gè)單片機(jī)或微控制器組成。而 這些嵌入式微處理器目前多是8位、16位和32位的，與64位的高性能處理器相比，具有 很強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性。相關(guān)支撐硬件包括顯示卡、存儲(chǔ)介質(zhì)、通訊設(shè)備、IC卡或信用卡的讀取設(shè) 備等。嵌入式系統(tǒng)有別于一般的計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，它不具備像硬盤(pán)那樣大容量的存儲(chǔ)介質(zhì), 而大多使用閃存作為存儲(chǔ)介質(zhì)。嵌入式軟件包括與硬件相關(guān)的底層軟件、操作系統(tǒng)、圖形 界面、通訊協(xié)議、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)等

4、、標(biāo)準(zhǔn)化瀏覽器和應(yīng)用軟件等。（二）軟硬件的設(shè)計(jì)1硬件環(huán)境概述嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式微處理器和操作系統(tǒng)組成。硬件主要包括：微處理器，ROM, DRAM,人機(jī)交互接口，A/D、D/A轉(zhuǎn)換電路，觸摸屏等。嵌入式系統(tǒng)的核心部件是各種類(lèi)型的嵌入式處理器，嵌入式開(kāi)發(fā)硬件平臺(tái)的選擇主要 是嵌入式處理器的選擇。在一個(gè)系統(tǒng)中使用什么樣的嵌入式處理器內(nèi)核主要取決于應(yīng)用的 領(lǐng)域、用戶(hù)的需求、成本、開(kāi)發(fā)的難易程度等因素。確定了使用哪種嵌入式處理器內(nèi)核以 后，接下來(lái)就是綜合考慮系統(tǒng)外圍設(shè)備的需求情況一選擇一款合適的處理器。本系統(tǒng)采用基于ARM的S3c44B0X的微處理器，通過(guò)系統(tǒng)總線(xiàn)將CPU、電源管理模塊、 存儲(chǔ)器、控

5、制器、LCD控制器、中斷控制器連接在一起，通過(guò)外設(shè)總線(xiàn)和A/D轉(zhuǎn)換器、看 門(mén)狗定時(shí)器、通過(guò)I/O控制器、PWM定時(shí)器等連接在一起。S3c44B0X的160個(gè)引腳中,71 個(gè)引腳可以通過(guò)編程的方法定義多功能輸入/輸出引腳。I/O端口有兩種編制方式，鍵盤(pán)模 塊輸入數(shù)字型數(shù)據(jù)或選擇控制設(shè)備的操作模式，LCD通過(guò)數(shù)據(jù)總線(xiàn)寄存器及使能信號(hào)與處 理器連接實(shí)現(xiàn)觸摸屏驅(qū)動(dòng)X、Y通道連接。2軟件環(huán)境概述嵌入式系統(tǒng)的軟件一般由嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件組成，編譯過(guò)程是一起進(jìn)行的。 而操作系統(tǒng)的軟件乂與硬件緊密相關(guān)，必須與具體應(yīng)用相結(jié)合才能發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，即必須 結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)的需求進(jìn)行合理的裁剪。所以，如果能夠建立相對(duì)通

6、用的軟硬件基礎(chǔ)，然 后在其上開(kāi)發(fā)出需要的系統(tǒng)，是一種比較好的發(fā)展模式。從某種程度上來(lái)說(shuō)，嵌入式系 統(tǒng)是指能夠運(yùn)行操作系統(tǒng)的軟硬件綜合體。就實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)（operation system）而言，它可大致分為商用嵌入式OS與 源碼開(kāi)放的嵌入式0S,前者如WindRiver公司的Vxworksx ISI公司的pSOS和Q uantum 公司的QNX等，后者如免費(fèi)的嵌入式Linux,以及本文中所用到的uC/OS II 0盡管這些嵌 入式RTOS形式多樣，但一般都具有以下特點(diǎn)：1）可裁剪的微內(nèi)核結(jié)構(gòu)，高效的多任務(wù)優(yōu)先級(jí)管理，Us級(jí)的中斷處理（Windows下 的中斷最快是55 Us/次），更加有利

7、于工業(yè)控制效率的提高：2）支持多處理器并行處理 及任務(wù)間通信（這一點(diǎn)對(duì)于電力系統(tǒng)并行計(jì)算有可借鑒之處）；3）具有共享內(nèi)存，有利于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)現(xiàn)：4）靈活的引導(dǎo)方式（支持從ROM/flash/本地盤(pán)/網(wǎng)絡(luò)引導(dǎo)），引導(dǎo)操作系統(tǒng)事件更短，甚至可以一上電在秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)就跳轉(zhuǎn)至用戶(hù)程序處等等。從這些特點(diǎn)可看出，在工業(yè)控制等領(lǐng)域以嵌入式RTOS作為軟件平臺(tái)將比Windows.UNI X、OS/2。等商用操作系統(tǒng)更有其特殊的優(yōu)勢(shì)。例如東北電網(wǎng)的SCADA與EMS中就 采用了 VXM實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。目前國(guó)際上己有幾百個(gè)成熟的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)，而我國(guó)在這方面起步較晚。這里 將比較兩種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)以說(shuō)明選擇uC

8、/OS-II的原因。uCLinux是專(zhuān)為無(wú)MMU微處理器打造的嵌入式Linux操作系統(tǒng)。它是由Linux2. 0內(nèi) 核發(fā)展來(lái)的,內(nèi)核代碼小于512 kb° uC/OS-H內(nèi)核編譯過(guò)后大約為6r Okbe核發(fā)展II內(nèi) 核是針對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的要求設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的，可以滿(mǎn)足較高的實(shí)時(shí)性要求。而uCLinux僅針對(duì) 嵌入式處理器進(jìn)行了改良，實(shí)時(shí)性不如uC/OSTI優(yōu)越。uCLinux繼承了 Linux內(nèi)核的特點(diǎn), 支持文件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)能力，并提供了一些API接口函數(shù)，而uC/OSTI只是一個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核, 要建立一個(gè)實(shí)用的系統(tǒng)，還需要進(jìn)行擴(kuò)展。由于該系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高，所以本文選擇uC/OS-II內(nèi)核

9、進(jìn)行移植。嵌入式 系統(tǒng)中，軟件和硬件緊密配合，協(xié)調(diào)工作，共同完成系統(tǒng)預(yù)定的功能。根據(jù)0SI的七層模 型可以確定鏈路層和物理層有硬件實(shí)現(xiàn)，其他各層由軟件實(shí)現(xiàn)，如圖1。圖1： 0SI模型和系統(tǒng)軟硬件劃分（三）系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)由r-嵌入式應(yīng)用軟件是通過(guò)并發(fā)的任務(wù)來(lái)運(yùn)作的，應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)將系統(tǒng)劃 分為多個(gè)并發(fā)執(zhí)行的任務(wù)，通過(guò)相互間通信建立聯(lián)系。根據(jù)需求劃分任務(wù)是比較重要的一 步，通用部分可以劃分為各個(gè)功能子模塊。本文中設(shè)計(jì)的保護(hù)測(cè)控系統(tǒng)，劃分成數(shù)據(jù)采集、液晶操作、健盤(pán)處理、循環(huán)計(jì)算程序、 保護(hù)量計(jì)算、繼電器出口等任務(wù)，每一個(gè)任務(wù)根據(jù)相互之間的關(guān)系及數(shù)據(jù)流設(shè)置優(yōu)先級(jí) 以及執(zhí)行頻率，這些設(shè)置好之后都由內(nèi)

10、核實(shí)現(xiàn)調(diào)度和任務(wù)之間的通信。同時(shí)還要根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置中斷的優(yōu)先級(jí)。在以u(píng)C/OS-l為操作系統(tǒng)的項(xiàng)目中，系統(tǒng) 可能要處理各種不同的中斷請(qǐng)求，如果某個(gè)中斷處理程序需要調(diào)用uC/OS-II的各種Post 函數(shù)向任務(wù)發(fā)出消息，那么uC/OS-II中的中斷服務(wù)程序的寫(xiě)法是：1）保存全部CPI寄存器；2）調(diào)用OSIntEnter或OSIntNesting直接加1：3）執(zhí)行用戶(hù)代碼做中斷服務(wù)：4）調(diào)用OSIntExit；5）恢復(fù)所有CPU寄存器；6）執(zhí)行中斷返回指令。這種方式實(shí)際上是將這個(gè)中斷處理加入了任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)，也就是說(shuō)這個(gè)中斷可以引起 任務(wù)的切換，也叫“標(biāo)準(zhǔn)中斷”。如果在中斷處理中沒(méi)有調(diào)用各種Post函數(shù)的話(huà)，則可 以用原來(lái)沒(méi)有操作系統(tǒng)時(shí)的寫(xiě)法：1）保存中斷處理程序需要用到的CPU寄存器； 2）執(zhí)行中斷處理：3）恢復(fù)保存了的CPU寄存器；4）執(zhí)行中斷返回指令。按照這種方法定義的中斷永遠(yuǎn)不會(huì)引起任務(wù)切換，稱(chēng)為“快中斷”。API函數(shù)用戶(hù)應(yīng)用程序驅(qū)動(dòng)程