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

本文格式為Word版，下載可任意編輯——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)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

嵌入式技術(shù)的應(yīng)用四處可見，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；汽車電子產(chǎn)品：電子地圖、導(dǎo)航、車載GPS等。其他領(lǐng)域，如通信、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，通過鍵盤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)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)是現(xiàn)代多學(xué)科相互融合的產(chǎn)物，嵌入式系統(tǒng)無多余軟件，并且以固態(tài)化出現(xiàn)，硬件亦無多余存儲(chǔ)器，有可靠性高、成本低、體積小、功耗少等特點(diǎn)。嵌入式系統(tǒng)又是知識(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)庫系統(tǒng)等、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型的嵌入式處理器，嵌入式開發(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、用戶的需求、成本、開發(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，接下來就是綜合考慮系統(tǒng)外圍設(shè)備的需求狀況一選擇一款適合的處理器。

本系統(tǒng)采用基于ARM的S3C44B0X的微處理器，通過系統(tǒng)總線將CPU、電源管理模塊、存儲(chǔ)器、控制器、LCD控制器、中斷控制器連接在一起，通過外設(shè)總線和A/D轉(zhuǎn)換器、看門狗定時(shí)器、通過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通過數(shù)據(jù)總線寄放器及使能信號(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，編譯過程是一起進(jìn)行的。而操作系統(tǒng)的軟件又與硬件緊湊相關(guān)，必需與具體應(yīng)用相結(jié)合才能發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，即必需結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)的需求進(jìn)行合理的裁剪。所以，假使能夠建立相對(duì)通用的軟硬件基礎(chǔ)，然后在其上開發(fā)出需要的系統(tǒng)，是一種比較好的發(fā)展模式。從某種程度上來說，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)（operationsystem）而言，它可大致分為商用嵌入式OS與源碼開放的嵌入式OS，前者如WindRiver公司的Vxworks、ISI公司的pSOS和Quantum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/OSⅡ。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，μs級(jí)的中斷處理（Windows下的中斷最快是55μs/次），更加有利于工業(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)庫的實(shí)現(xiàn)；

4)靈活的引導(dǎo)方式（支持從ROM／flash／本地盤／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、UNIX、OS／2等商用操作系統(tǒng)更有其特別的優(yōu)勢(shì)。例如東北電網(wǎng)的SCADA與EMS中就采用了M實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

目前國際上已有幾百個(gè)成熟的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)，而我國在這方面起步較晚。這里將比較兩種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)以說明選擇uC/OS-Ⅱ的原因。

uCLinux是專為無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)展來的，內(nèi)核代碼小于512kb。uC/OS-Ⅱ內(nèi)核編譯過后大約為6~10kb。uC/OS-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/OS-Ⅱ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/OS-Ⅱ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)核進(jìn)行移植。嵌入式系統(tǒng)中，軟件和硬件緊湊協(xié)同，協(xié)調(diào)工作，共同完成系統(tǒng)預(yù)定的功能。根據(jù)OSI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：OSI模型和系統(tǒng)軟硬件劃分

（三）系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

由于嵌入式應(yīng)用軟件是通過并發(fā)的任務(wù)來運(yùn)作的，應(yīng)用軟件開發(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、鍵盤處理、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)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)際狀況設(shè)置中斷的優(yōu)先級(jí)。在以u(píng)C/OS-Ⅱ?yàn)椴僮飨到y(tǒng)的項(xiàng)目中，系統(tǒng)可能要處理各種不同的中斷請(qǐng)求，假使某個(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)程序的寫法是：

1)保存全部CPU寄放器；

2)調(diào)用OSIntEnter或OSIntNesting直接加1；3)執(zhí)行用戶代碼做中斷服務(wù)；4)調(diào)用OSIntExit；5)恢復(fù)所有CPU寄放器；6)執(zhí)行中斷返回指令。

這種方式實(shí)際上是將這個(gè)中斷處理參與了任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)，也就是說這個(gè)中斷可以引起任務(wù)的切換，也叫“標(biāo)準(zhǔn)中斷〞。假使在中斷處理中沒有調(diào)用各種Post函數(shù)的話，則可以用原來沒有操作系統(tǒng)時(shí)的寫法：1)保存中斷處理程序需要用到的CPU寄放器；2)執(zhí)行中斷處理；

3)恢復(fù)保存了的CPU寄放器；4)執(zhí)行中斷返回指令。

依照這種方法定義的中斷永遠(yuǎn)不會(huì)引起任務(wù)切換，稱為“快中斷〞。

API函數(shù)用戶應(yīng)用程序驅(qū)動(dòng)