嵌入式綜合設(shè)計(jì)實(shí)習(xí)報(bào)告

桂林理工大學(xué)嵌入式綜合設(shè)計(jì)實(shí)習(xí)報(bào)告學(xué)院：信息科學(xué)與工程班級(jí)：計(jì)算機(jī)2010-1姓名：周杰學(xué)號(hào)：3100717102指導(dǎo)：金紅日期：2014年1月引言1、實(shí)習(xí)的性質(zhì)、目的和意義以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際的嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新為主要目的，通過實(shí)習(xí)，基本掌握嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法、調(diào)試技術(shù)及創(chuàng)新能力等技能。本課程是計(jì)算機(jī)專業(yè)的一門必修的專業(yè)實(shí)習(xí)課。通過該實(shí)習(xí)，使學(xué)生進(jìn)一步加深對(duì)《嵌入式系統(tǒng)》、《C語言程序設(shè)計(jì)》、《單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)》、《微機(jī)原理》、等課程相關(guān)理論知識(shí)的理解；通過該實(shí)習(xí)，使學(xué)生初步掌握嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法、系統(tǒng)調(diào)試等能力，提高創(chuàng)新技能。2、實(shí)習(xí)的要求要求學(xué)生從嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)和實(shí)現(xiàn)的角度出發(fā)，能夠利用課程內(nèi)容設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用系統(tǒng)，掌握基本嵌入式軟件設(shè)計(jì)、調(diào)試等技能，提高創(chuàng)新能力。（1）掌握嵌入式系統(tǒng)的概念及系統(tǒng)構(gòu)成；（2）初步掌握嵌入式系統(tǒng)移植及應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)及調(diào)試方法；（3）初步掌握設(shè)計(jì)報(bào)告的格式要求和撰寫方法。課題設(shè)計(jì)1、 嵌入式系統(tǒng)1.1嵌入式系統(tǒng)概述1.1.1嵌入式系統(tǒng)定義（1）根據(jù)IEEE（InstituteofElectrical&ElectronicEngineers,國際電氣和電子工程師協(xié)會(huì)）的定義[1]：

嵌入式系統(tǒng)是“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機(jī)器和設(shè)備的裝置”（原文為devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants）（2）通俗定義

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)，并且軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。1.1.2嵌入式系統(tǒng)構(gòu)架總體上嵌入式系統(tǒng)可以劃分成硬件和軟件兩部分

硬件一般由高性能的嵌入式微處理器、外圍的接口電路、外設(shè)組成

軟件一般由：應(yīng)用軟件或者

嵌入式操作系統(tǒng)和其上運(yùn)行的應(yīng)用軟件構(gòu)成；

1.1.3、嵌入式系統(tǒng)硬件嵌入式系統(tǒng)硬件可分為：微處理器、外圍電路和外設(shè)。嵌入式處理器作為嵌入式系統(tǒng)的核心，它必須首先滿足系統(tǒng)在功耗、功能和速度方面的要求。一般來說，嵌入式系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性、功耗、體積和可靠性等方面要求比較高。嵌入式處理器的分類可以根據(jù)組織結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)的不同進(jìn)行分類第二，或按照嵌入式處理器的字長(zhǎng)來分類。流行的嵌入式處理器有8051、ARM、PowerPC、MIPS。1.2嵌入式操作系統(tǒng)目前，嵌入式系統(tǒng)有一部分有操作系統(tǒng)，還有一部分沒有操作系統(tǒng)。由于嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，嵌入式操作系統(tǒng)的種類繁多，下面簡(jiǎn)單介紹幾種常見的嵌入式操作系統(tǒng)。

1．嵌入式Linux

嵌入式Linux是以Linux為基礎(chǔ)的嵌入式操作系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于移動(dòng)電話、個(gè)人數(shù)字助理(PDA)、媒體播放器、消費(fèi)性電子產(chǎn)品以及航空航天等領(lǐng)域中。

2．WindowsCE

WindowsCE是微軟公司基于掌上型電腦所開發(fā)的32位嵌入式操作系統(tǒng)，可看作是Windows95的精簡(jiǎn)版本，具有相當(dāng)出色的圖形用戶界面。CE中的C代表袖珍（Compact）、消費(fèi)（Consumer）、通信能力（Connectivit)和伴侶（Companion），E代表電子產(chǎn)品（Electronics）。3．VxWorks

VxWorks是美國WindRiverSystem公司（風(fēng)河公司）推出的一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。它具有高性能的內(nèi)核、友好的用戶開發(fā)環(huán)境，是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)領(lǐng)域的佼佼者，廣泛應(yīng)用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)及實(shí)時(shí)性要求極高的領(lǐng)域，如衛(wèi)星通信、軍事演習(xí)、導(dǎo)彈制導(dǎo)、飛機(jī)導(dǎo)航等。1997年4月在火星表面登陸的火星探測(cè)器上就使用了VxWorks操作系統(tǒng)。但VxWorks價(jià)格昂貴，在大眾化的嵌入式產(chǎn)品中使用不多。

4．μC/OS-Ⅱ

μC/OS-Ⅱ是一個(gè)源代碼開放、可剪裁、結(jié)構(gòu)小巧、搶先式的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，主要用于中小型嵌入式系統(tǒng)中，執(zhí)行效率高、占用空間小、可移植性強(qiáng)，具有良好的實(shí)時(shí)性能和可擴(kuò)展性，最多支持64個(gè)任務(wù)，可運(yùn)行在大部分嵌入式微處理器上。2、STC15F2K60S2硬件平臺(tái)STC15系列最小系統(tǒng)板，以宏景STC15F2K60S2單片機(jī)為核心，

STC15F2K60S2功能簡(jiǎn)介如下，具體可參考相關(guān)數(shù)據(jù)手冊(cè)[2]。1、STC15為1T單片機(jī)即晶振速度既是主頻速度2、工作電壓STC15F2K60S25V單片機(jī)5.5v-3.8v3、60Kflash存儲(chǔ)空間4、2048字節(jié)即2KSRAM5、1KEEPROM存儲(chǔ)空間6、共8通道10位高速ADC速度可達(dá)30萬次/秒3路PWM還可當(dāng)3路D/A使用7、共3通道捕獲/比較單元（CCP/PWM/PCA）8、內(nèi)部高可靠復(fù)位8級(jí)可選擇復(fù)位門檻電壓可省去外部復(fù)位電路9、支持內(nèi)部高精度R/C時(shí)鐘，可選擇（5.5296MHz、11.0592MHz、22.1184MHz、33.1776MHz）10、兩組高速異步串行通信端口（可同時(shí)使用）即雙串口可在5組管腳之間進(jìn)行切換分時(shí)復(fù)用可當(dāng)5組串口使用!11、一組高速異步串行SPI總線在讀SD卡NRF24L01flash芯片即擴(kuò)展IO等均可使用12、低功耗設(shè)計(jì)：低速模式，空閑模式，掉電模式/停機(jī)模式13、共6個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器3個(gè)16位可重裝載定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（T0/T1/T2其中T0/T1兼容普通8051的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器），并均可獨(dú)立實(shí)現(xiàn)對(duì)外可編程時(shí)鐘輸出（3通道），3路CPP/PWM/PCA還可再實(shí)現(xiàn)3個(gè)定時(shí)器。14、可編程時(shí)鐘輸出功能（對(duì)內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘或?qū)ν獠抗苣_的時(shí)鐘輸入進(jìn)行時(shí)鐘分頻輸出）15、硬件看門狗（WDT）16、先進(jìn)的指令集結(jié)構(gòu)兼容普通8051指令集有硬件乘法/除非指令17、42個(gè)通用I/O口復(fù)位后為：準(zhǔn)雙向口/弱上拉（普通8051傳統(tǒng)I/O口）可設(shè)置四種模式。STC15F2K60S2的最小系統(tǒng)板，具體資源及系統(tǒng)板電路如下圖，具體可參考相關(guān)資料資料。3、UCOSII操作系統(tǒng) uC/OS是一個(gè)完成的，可移植、可固化、可裁減的搶占式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核。主要用ANSI的C語言編寫，少部分代碼是匯編語言。uC/OS主要有以下特點(diǎn)： 1、可移植性可以移植到多個(gè)CPU上，包括三菱單片機(jī)。 2、可固化可以固化到嵌入式系統(tǒng)中 3、可裁減 可以定制uC/OS，使用少量的系統(tǒng)服務(wù) 4、可剝奪性u(píng)C/OS是完全可剝奪的實(shí)時(shí)內(nèi)核，uC/OS總是運(yùn)行優(yōu)先級(jí)最高的就緒任務(wù)。 5、多任務(wù)運(yùn)行uC/OS可以管理最多64個(gè)任務(wù)。不支持時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度法，所以要求每個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)不一樣。 6、可確定性u(píng)C/OS的函數(shù)調(diào)用和系統(tǒng)服務(wù)的執(zhí)行時(shí)間可以確定。 7、任務(wù)棧每個(gè)任務(wù)都有自己的單獨(dú)的棧，而且每個(gè)任務(wù)?？臻g的大小可以不一樣。 8、系統(tǒng)服務(wù)uC/OS有很多系統(tǒng)服務(wù)，如信號(hào)量、時(shí)間標(biāo)志、消息郵箱、消息隊(duì)列、時(shí)間管理等等。二、uC/OS內(nèi)核介紹前后臺(tái)系統(tǒng)也稱為超循環(huán)系統(tǒng)。應(yīng)用程序是一個(gè)無限的循環(huán)，循環(huán)中實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的操作，這部分看成后臺(tái)行為。用中斷服務(wù)程序處理異步事件，處理實(shí)時(shí)性要求很強(qiáng)的操作，這部分可以看成前臺(tái)行為。共享資源可以被一個(gè)以上任務(wù)使用的資源叫做共享資源。3、任務(wù)：一個(gè)任務(wù)是一個(gè)線程，一般是一個(gè)無限的循環(huán)程序。一個(gè)任務(wù)可以認(rèn)為CPU資源完全只屬于自己。任務(wù)可以是以下五種狀態(tài)之一：休眠態(tài)，就緒態(tài)，運(yùn)行態(tài)，掛起態(tài)和被中斷態(tài)。uC/OS-II提供的系統(tǒng)服務(wù)可以使任務(wù)從一種狀態(tài)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)。4、任務(wù)切換：任務(wù)切換就是上下文切換，也是CPU寄存器內(nèi)容切換。當(dāng)內(nèi)核決定運(yùn)行另外的任務(wù)時(shí)，它保存正在運(yùn)行任務(wù)的當(dāng)前狀態(tài)（CPU寄存器的內(nèi)容）到任務(wù)自己的棧區(qū)。入棧完成后，就把下一個(gè)將要運(yùn)行的任務(wù)狀態(tài)從該任務(wù)的棧中重新裝入CPU寄存器，并開始下一個(gè)任務(wù)的運(yùn)行，這個(gè)過程叫做任務(wù)切換。5、內(nèi)核多任務(wù)系統(tǒng)中內(nèi)核負(fù)責(zé)管理和調(diào)度各個(gè)任務(wù)，為每個(gè)任務(wù)分配CPU時(shí)間，并負(fù)責(zé)任務(wù)間的通信。內(nèi)核總是調(diào)度就緒態(tài)的優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)。內(nèi)核本身增加了系統(tǒng)的額外負(fù)荷，因?yàn)閮?nèi)核提供的服務(wù)需要一定的執(zhí)行時(shí)間。6、可剝奪型內(nèi)核uC/OS－II以及絕大多數(shù)商業(yè)實(shí)時(shí)內(nèi)核都是可剝奪型內(nèi)核。最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)一旦就緒，就搶占運(yùn)行著的低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，得到CPU的使用權(quán)。7、可重入函數(shù)：可以被多個(gè)任務(wù)調(diào)用，并且不用擔(dān)心數(shù)據(jù)會(huì)被破壞的函數(shù)。8、優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問題是使用實(shí)時(shí)內(nèi)核系統(tǒng)中出現(xiàn)最多的問題。描述如下：假設(shè)當(dāng)前系統(tǒng)有任務(wù)3在運(yùn)行，并且低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)3占用了共享資源，而高優(yōu)先級(jí)任務(wù)1就緒得到CPU使用權(quán)后，也要使用任務(wù)3占用的共享資源，任務(wù)1只能掛起等待任務(wù)3使用完共享資源。任務(wù)3繼續(xù)運(yùn)行時(shí)，優(yōu)先級(jí)在任務(wù)1和任務(wù)3之間的任務(wù)2就緒并搶占了任務(wù)3的CPU使用權(quán)，直到運(yùn)行完后才把CPU使用權(quán)還給任務(wù)3。任務(wù)3繼續(xù)運(yùn)行，在釋放了共享資源后任務(wù)1才得以運(yùn)行。這樣，任務(wù)1實(shí)際上降到了任務(wù)3優(yōu)先級(jí)的水平。這種情況就是優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問題。uC/OS-II中，可以利用互斥信號(hào)量來這個(gè)解決。9、互斥方法使用共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行任務(wù)間通信時(shí)，要求對(duì)其進(jìn)行互斥。保證互斥的方法有：關(guān)中斷、使用測(cè)試變量、禁止任務(wù)切換和利用信號(hào)量。10、同步可以利用信號(hào)量使任務(wù)與任務(wù)，任務(wù)與ISR之間同步。任務(wù)之間沒有數(shù)據(jù)交換。11、事件標(biāo)志：當(dāng)任務(wù)要與多個(gè)事件同步時(shí)，需要使用事件標(biāo)志(eventflag)。事件標(biāo)志同步分為獨(dú)立型同步（邏輯“或”關(guān)系）和關(guān)聯(lián)型同步（邏輯“與”關(guān)系）。12、任務(wù)間通信：任務(wù)間信息的傳遞有兩個(gè)途徑，通過全局變量或者通過內(nèi)核發(fā)消息給另一個(gè)任務(wù)。通過內(nèi)核服務(wù)發(fā)送的消息包括：消息郵箱、消息隊(duì)列。任務(wù)或者ISR可以把一個(gè)指針放到消息郵箱中，讓另一個(gè)任務(wù)接收。消息隊(duì)列實(shí)際上是郵箱陣列。13、時(shí)鐘節(jié)拍：是特定的周期性的定時(shí)器中斷。時(shí)鐘節(jié)拍是系統(tǒng)的心臟脈動(dòng)，提供周期性的信號(hào)源，是系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)調(diào)度的頻率依據(jù)和任務(wù)延時(shí)依據(jù)。時(shí)鐘節(jié)拍越快，系統(tǒng)開銷就越大。我們移植過程中采用的方法：初始化定時(shí)器TA0,周期是20ms,作為操作系統(tǒng)時(shí)鐘節(jié)拍。說明：基于uC/OS-II操作系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)任務(wù)的主要任務(wù)是將系統(tǒng)合理劃分成多個(gè)任務(wù)，并由RTOS進(jìn)行調(diào)度，任務(wù)之間使用uC/OS-II提供的系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行通信，以配合實(shí)現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)的功能。上圖中應(yīng)用代碼部分主要是設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)的業(yè)務(wù)代碼。與前后臺(tái)系統(tǒng)一樣，基于uC/OS-II的多任務(wù)系統(tǒng)也有一個(gè)main主函數(shù)，main函數(shù)由編譯器所帶的C啟動(dòng)程序調(diào)用。在main主函數(shù)中主要實(shí)現(xiàn)uC/OS-II的初始化OSInit()、任務(wù)創(chuàng)建、一些任務(wù)通信方法的創(chuàng)建、uC/OS-II的多任務(wù)啟動(dòng)OSStart()等常規(guī)操作。另外，還有一些應(yīng)用程序相關(guān)的初始化操作，例如：硬件初始化、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)初始化等。在使用uC/OS-II提供的任何功能之前，必須先調(diào)用OSInit()函數(shù)進(jìn)行初始化。在main主函數(shù)中調(diào)用OSStart()啟動(dòng)多任務(wù)之前，至少要先建立一個(gè)任務(wù)。否則應(yīng)用程序會(huì)崩潰。OSInit()初始化uC/OS-II所有的變量和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并建立空閑任務(wù)OS_TaskIdle()，這個(gè)任務(wù)總是處于就緒態(tài)。4、 基于STC15F2K60S2單片機(jī)的UCOSII的移植μC/OS-II可以大致分成核心、任務(wù)處理、時(shí)間處理、任務(wù)同步與通信，CPU的移植等5個(gè)部分。1)核心部分(OSCore.c)是操作系統(tǒng)的處理核心，包括操作系統(tǒng)初始化、操作系統(tǒng)運(yùn)行、中斷進(jìn)出的前導(dǎo)、時(shí)鐘節(jié)拍、任務(wù)調(diào)度、事件處理等多部分。能夠維持系統(tǒng)基本工作的部分都在這里。2)任務(wù)處理部分(OSTask.c)任務(wù)處理部分中的內(nèi)容都是與任務(wù)的操作密切相關(guān)的。包括任務(wù)的建立、刪除、掛起、恢復(fù)等等。因?yàn)棣藽/OS-II是以任務(wù)為基本單位調(diào)度的，所以這部分內(nèi)容也相當(dāng)重要。3)時(shí)鐘部分(OSTime.c)μC/OS-II中的最小時(shí)鐘單位是timetick（時(shí)鐘節(jié)拍）。任務(wù)延時(shí)等操作是在這里完成的。4)任務(wù)同步和通信部分為事件處理部分，包括信號(hào)量、郵箱、郵箱隊(duì)列、事件標(biāo)志等部分；主要用于任務(wù)間的互相聯(lián)系和對(duì)臨界資源的訪問。5)與CPU的接口部分是指μC/OS-II針對(duì)所使用的CPU的移植部分。由于μC/OS-II是一個(gè)通用性的操作系統(tǒng)，所以對(duì)于關(guān)鍵問題上的實(shí)現(xiàn)，還是需要根據(jù)具體CPU的具體內(nèi)容和要求作相應(yīng)的移植。這部分內(nèi)容由于牽涉到SP等系統(tǒng)指針，所以通常用匯編語言編寫。主要包括中斷級(jí)任務(wù)切換的底層實(shí)現(xiàn)、任務(wù)級(jí)任務(wù)切換的底層實(shí)現(xiàn)、時(shí)鐘節(jié)拍的產(chǎn)生和處理、中斷的相關(guān)處理部分等內(nèi)容。5、 UCOSII應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)(1)流程圖①LCD顯示的流程圖LCD初始化延時(shí)開始LCD初始化延時(shí)開始設(shè)置第一行顯示位置顯示第一行內(nèi)容設(shè)置第一行顯示位置顯示第一行內(nèi)容顯示第二行內(nèi)容設(shè)置第二行顯示位置顯示第二行內(nèi)容設(shè)置第二行顯示位置②串口通訊的流程圖接收線程：將數(shù)據(jù)打包放入緩存并通知處理線程串口：接收線程從串口獲取數(shù)據(jù)接收線程：將數(shù)據(jù)打包放入緩存并通知處理線程串口：接收線程從串口獲取數(shù)據(jù)緩存緩存處理線程收到通知后，從Wait（）中醒來，然后讀取緩存中數(shù)據(jù)處理線程收到通知后，從Wait（）中醒來，然后讀取緩存中數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理線程數(shù)據(jù)處理線程③控制LED指示燈閃爍的流程圖開始開始輸出“1輸出“1”，熄滅延時(shí)延時(shí)輸出輸出“0”，點(diǎn)亮延時(shí)延時(shí)(2)代碼附錄核心代碼：voidTask1(void*ppdata)reentrant{ ppdata=ppdata; ET0=1;//根任務(wù)開時(shí)鐘節(jié)拍中斷重要?。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。?！ for(;;){ LED1=~LED1;OSTimeDly(OS_TICKS_PER_SEC);//延時(shí)1s //OSSemPost(FirstSem); }}voidTask2(void*ppdata)reentrant{ ppdata=ppdata; while(1){ Process_Uart(); LED2=~LED2; OSTimeDly(OS_TICKS_PER_SEC/20); Feed_WDT();}}voidTask3(void*ppdata)reentrant{ ppdata=ppdata; for(;;) {// OSTimeDlyHMSM(0,0,10,0); LCD1602_write_string(LCD1602_LINE1,0,"ZHOUJIE");LCD1602_write_string(LCD1602_LINE2,0,"TANGQILUO"); 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