嵌入式系統(tǒng)講座

1嵌入式系統(tǒng)概述1.1嵌入式系統(tǒng)的產(chǎn)生和發(fā)展1.2嵌入式系統(tǒng)的概念1.3嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域1.4嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢1.1嵌入式系統(tǒng)的產(chǎn)生和發(fā)展

1.嵌入式系統(tǒng)主要應(yīng)用領(lǐng)域分布式控制數(shù)字化通信信息家電網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

2.手機(jī)、MP3播放器、數(shù)碼相機(jī)、VCD、機(jī)頂盒、路由器、交換機(jī)1.2嵌入式系統(tǒng)的概念

1.2.1嵌入式系統(tǒng)的定義

嵌入式計(jì)算系統(tǒng)，簡稱為嵌入式系統(tǒng)。那么究竟什么是嵌入式系統(tǒng)呢？在WayneWolf所著的《嵌入式計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理》一書定義為：“它是任意包含一個(gè)可編程計(jì)算機(jī)的設(shè)備，但是這個(gè)設(shè)備不是作為通用計(jì)算機(jī)而設(shè)計(jì)的。因此，一臺(tái)個(gè)人電腦并不能稱之為嵌入式計(jì)算系統(tǒng)，盡管個(gè)人電腦經(jīng)常被用于搭建嵌入式計(jì)算系統(tǒng)。”

微機(jī)學(xué)會(huì)的定義是：“嵌入式系統(tǒng)是以嵌入式應(yīng)用為目的的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”，并分為系統(tǒng)級、板級、片級，系統(tǒng)級包括各類工控器、PC104模塊等；板級包括各類帶CPU的主板和OEM產(chǎn)品；片級包括各種以單片機(jī)、DSP、微處理器為核心的產(chǎn)品。目前被大多數(shù)人接受的一般性定義是：“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)對功能、可靠性、成本、體積和功耗等嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)?！?/p>

1.2.2嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)

1．專用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

這種“量體裁衣”型的專用計(jì)算平臺(tái)的特征導(dǎo)致了許多與通用計(jì)算平臺(tái)的不同，主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面。

(1)形式多樣。

(2)對運(yùn)行環(huán)境的依賴性。

(3)綜合考慮成本、資源、功耗、體積因素。

(4)軟、硬件緊密結(jié)合，高效設(shè)計(jì)。

2．代碼固化

嵌入式系統(tǒng)的目標(biāo)代碼通常固化在非易失性存儲(chǔ)器中，如ROM、EPROM、EEPROM、Flash等。系統(tǒng)資源受限是一部分原因，其他主要的原因是為了提高系統(tǒng)的執(zhí)行速度和系統(tǒng)的可靠性。

3．實(shí)時(shí)性要求

嵌入式系統(tǒng)大多有實(shí)時(shí)性要求，根據(jù)系統(tǒng)對實(shí)時(shí)性要求的強(qiáng)度不同，可分為硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)和軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)。

4．可靠性要求

嵌入式系統(tǒng)一般要求具有出錯(cuò)處理和自動(dòng)復(fù)位功能，特別是對于運(yùn)行在極端環(huán)境下或重要場合的嵌入式系統(tǒng)而言，其可靠性設(shè)計(jì)尤其重要。在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用一些硬件和軟件機(jī)制來保證系統(tǒng)的可靠性，如硬件的看門狗定時(shí)器、軟件的內(nèi)存保護(hù)和重啟機(jī)制等。

5．操作系統(tǒng)的支持

①嵌入式軟件可以在沒有操作系統(tǒng)支持的情況下設(shè)計(jì)：可以保證程序執(zhí)行的實(shí)時(shí)性和可靠性。 ②嵌入式系統(tǒng)在嵌入式操作系統(tǒng)的支持下設(shè)計(jì)：可以有效地減少開發(fā)周期，保障軟件質(zhì)量。

嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式行業(yè)走向標(biāo)準(zhǔn)化道路的基礎(chǔ)。

6．專門的開發(fā)工具、環(huán)境和方法

由于嵌入式系統(tǒng)是軟/硬件緊密結(jié)合的系統(tǒng)，因此嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)通常是軟件與硬件并行設(shè)計(jì)。開發(fā)的過程，軟、硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的開發(fā)方法是最適合嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的方法。其開發(fā)過程一般分為以下幾個(gè)階段：系統(tǒng)定義、軟件與硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、軟/硬件集成、系統(tǒng)測試、可靠性評估等。嵌入式系統(tǒng)在可靠性方面的要求使得系統(tǒng)測試和可靠性評估非常重要，其方法研究已經(jīng)成為一門學(xué)科。

由于系統(tǒng)資源有限，嵌入式系統(tǒng)一般不具備自主開發(fā)能力；設(shè)計(jì)完成后，用戶也不能對其中的軟件進(jìn)行修改。即嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)必須借助于一套專門的開發(fā)工具(開發(fā)環(huán)境)，包括設(shè)計(jì)、編譯、調(diào)試、測試等工具，采用交叉開發(fā)的方式進(jìn)行。交叉開發(fā)環(huán)境由宿主機(jī)和目標(biāo)機(jī)組成，如圖1-1所示。宿主機(jī)一般采用通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，利用通用計(jì)算機(jī)的豐富資源，承擔(dān)開發(fā)工具的大部分工作，構(gòu)成主要的開發(fā)環(huán)境；目標(biāo)機(jī)就是所要開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)，構(gòu)成最終的執(zhí)行環(huán)境，配合宿主機(jī)完成開發(fā)工作。

7．知識(shí)集成系統(tǒng)

嵌入式行業(yè)的基礎(chǔ)是以應(yīng)用為中心的芯片設(shè)計(jì)和面向應(yīng)用的軟件產(chǎn)品開發(fā)。它是一個(gè)高度分散的行業(yè)，充滿了競爭、機(jī)遇和創(chuàng)新，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。即便在體系結(jié)構(gòu)上存在著主流，各不相同的應(yīng)用領(lǐng)域也決定了不可能有少數(shù)公司、少數(shù)產(chǎn)品壟斷全部市場。

因此，嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的產(chǎn)品和技術(shù)，必然是高度分散的，留給各個(gè)行業(yè)的中小規(guī)模高技術(shù)公司的創(chuàng)新余地很大。另外，社會(huì)上的各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域是在不斷向前發(fā)展的，要求其中的嵌入式微處理器核心也同步發(fā)展，這也構(gòu)成了推動(dòng)嵌入式行業(yè)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力。1.2.3嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

雖然，在不同的應(yīng)用場合，嵌入式系統(tǒng)呈現(xiàn)出不同的外觀和形式，但是，其核心的計(jì)算系統(tǒng)仍然可以抽象出一個(gè)典型的組成模型，一般可劃分為硬件層、中間層、軟件層和功能層，如圖1-2所示。

1．硬件層

硬件層由嵌入式微處理器、存儲(chǔ)系統(tǒng)、通信模塊、人機(jī)接口、其他I/O接口(A/D、D/A、通用I/O等)以及電源等組成。

2．中間層

它把系統(tǒng)軟件與底層硬件部分隔離，使得系統(tǒng)的底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與硬件無關(guān)。中間層一般包括硬件抽象層(HardwareAbstractLayer，HAL)和板級支持包(BoardSupportPackage，BSP)。

3．軟件層

軟件層由實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RealTimeOperatingSystem，RTOS)、文件系統(tǒng)、圖形用戶接口(GraphicalUserInter-faces，GUI)、網(wǎng)絡(luò)組件組成。

4．功能層

功能層由基于RTOS開發(fā)的應(yīng)用程序組成，用來完成實(shí)際所需的應(yīng)用功能。1.2.4嵌入式系統(tǒng)的分類

1．按照嵌入式微處理器的位數(shù)分類

按照嵌入式微處理器字長的位數(shù)，嵌入式系統(tǒng)可分為4位、8位、16位、32位和64位。

4位、8位、16位嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)獲得了大量應(yīng)用

32位嵌入式系統(tǒng)正成為主流發(fā)展趨勢高度復(fù)雜和要求高速處理的嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)開始使用64位嵌入式微處理器。

2．按照實(shí)時(shí)性分類實(shí)時(shí)系統(tǒng)是指系統(tǒng)執(zhí)行的正確性不僅取決于計(jì)算的邏輯結(jié)果，還取決于結(jié)果產(chǎn)生的時(shí)間。根據(jù)嵌入式系統(tǒng)是否具有實(shí)時(shí)性，可將其分為嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)和嵌入式非實(shí)時(shí)系統(tǒng)。大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)都屬于嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)。根據(jù)實(shí)時(shí)性的強(qiáng)弱，實(shí)時(shí)系統(tǒng)又可進(jìn)一步分為硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)和軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)。

硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)是指系統(tǒng)對響應(yīng)時(shí)間有嚴(yán)格要求，如果響應(yīng)時(shí)間不能滿足，就會(huì)引起系統(tǒng)崩潰或致命錯(cuò)誤，如飛機(jī)的飛控系統(tǒng)。軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)是指系統(tǒng)對響應(yīng)時(shí)間有一定要求，如果響應(yīng)時(shí)間不能滿足，不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰或出現(xiàn)致命錯(cuò)誤，如打印機(jī)、自動(dòng)門?？梢哉J(rèn)為兩者的區(qū)別在本質(zhì)上屬于客觀要求和主觀感受的區(qū)別。

3．按照嵌入式軟件結(jié)構(gòu)分類

按照嵌入式軟件的結(jié)構(gòu)分類，嵌入式系統(tǒng)可分為循環(huán)輪詢系統(tǒng)、前后臺(tái)系統(tǒng)和多任務(wù)系統(tǒng)。

1)循環(huán)輪詢系統(tǒng)循環(huán)輪詢(pollingloop)是最簡單的軟件結(jié)構(gòu)，程序依次檢查系統(tǒng)的每個(gè)輸入條件，如果條件成立就執(zhí)行相應(yīng)處理。其流程圖如圖1-3所示。

圖1-3輪詢流程圖

2)前后臺(tái)系統(tǒng)

前后臺(tái)(foreground/background)系統(tǒng)屬于中斷驅(qū)動(dòng)機(jī)制。后臺(tái)程序是一個(gè)無限循環(huán)，通過調(diào)用函數(shù)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)操作，又稱任務(wù)級。前臺(tái)程序是中斷處理程序，用來處理異步事件，又稱中斷級。設(shè)計(jì)前后臺(tái)的目的主要是為了將時(shí)間性很強(qiáng)的關(guān)鍵操作(criticaloperation)通過中斷服務(wù)來保證。通常情況下，中斷只處理需要快速響應(yīng)的事件，將輸入/輸出數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存的緩沖區(qū)里，再向后臺(tái)發(fā)信號(hào)，由后臺(tái)來處理這些數(shù)據(jù)，如運(yùn)算、存儲(chǔ)、顯示、打印等。其流程圖如圖1-4所示。在前后臺(tái)系統(tǒng)中，主要考慮的問題包括中斷的現(xiàn)場保護(hù)和恢復(fù)、中斷的嵌套、中斷與主程序共享資源等問題。系統(tǒng)性能由中斷延遲時(shí)間、響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間來描述。一些不復(fù)雜的小系統(tǒng)比較適合采用前后臺(tái)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)程序。甚至在某些系統(tǒng)中，為了省電，平時(shí)讓處理器處于停機(jī)狀態(tài)(halt)，所有工作都依靠中斷服務(wù)來完成。

3)多任務(wù)系統(tǒng)

對于較復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)而言，存在許多互不相關(guān)的過程需要計(jì)算機(jī)同時(shí)處理，在這種情況下就需要采用多任務(wù)(multitasking)系統(tǒng)。采用多任務(wù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件有利于降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可維護(hù)性。多任務(wù)系統(tǒng)的軟件由多個(gè)任務(wù)、多個(gè)中斷服務(wù)程序以及嵌入式操作系統(tǒng)組成。任務(wù)是順序執(zhí)行的，并行性通過操作系統(tǒng)完成。操作系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)任務(wù)切換、任務(wù)調(diào)度、任務(wù)間以及任務(wù)與中斷服務(wù)程序之間的通信、同步、互斥、實(shí)時(shí)時(shí)鐘管理、中斷管理等。其流程圖如圖1-5所示。多任務(wù)系統(tǒng)的特點(diǎn)包括如下內(nèi)容：

(1)每個(gè)任務(wù)都是一個(gè)無限循環(huán)的程序，等待特定的輸入，從而執(zhí)行相應(yīng)的處理。

(2)這種程序模型將系統(tǒng)分成相對簡單、相互合作的模塊。

(3)不同的任務(wù)共享同一個(gè)CPU和其他硬件，嵌入式操作系統(tǒng)對這些共享資源進(jìn)行管理。

(4)多個(gè)順序執(zhí)行的任務(wù)在宏觀上看是并行執(zhí)行的，每個(gè)任務(wù)都運(yùn)行在自己獨(dú)立的CPU上。

在單處理器系統(tǒng)中，任務(wù)在宏觀上看是并發(fā)的，但在微觀上看實(shí)際是順序執(zhí)行的。在多處理器系統(tǒng)中，可以讓任務(wù)同時(shí)在不同的處理器上執(zhí)行，因此在微觀上看任務(wù)也是并發(fā)的。多處理器系統(tǒng)可分為單指令多數(shù)據(jù)流(SIMD)系統(tǒng)和多指令多數(shù)據(jù)流(MIMD)系統(tǒng)。MIMD系統(tǒng)又可分為緊耦合(tightly-coupled)系統(tǒng)和松耦合(loosely-coupled)系統(tǒng)。緊耦合系統(tǒng)是指多個(gè)處理器之間通過共享內(nèi)存空間的方式交換信息。松耦合系統(tǒng)是指多個(gè)處理器之間通過通信線路進(jìn)行連接和交換信息。

下面的列表對這三種系統(tǒng)的優(yōu)、缺點(diǎn)進(jìn)行了比較。

4．按照應(yīng)用領(lǐng)域分類

按照應(yīng)用領(lǐng)域分類嵌入式系統(tǒng)可分為：

①信息家電和消費(fèi)電子類

②醫(yī)療電子類

③通信和移動(dòng)終端類

④汽車電子類

⑤工業(yè)控制類

⑥航空電子和軍事電子類等。1.3嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域

1．消費(fèi)電子領(lǐng)域

隨著技術(shù)的發(fā)展，消費(fèi)電子產(chǎn)品正向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。嵌入式技術(shù)和其他電子技術(shù)緊密結(jié)合，滲入到各種消費(fèi)電子產(chǎn)品中，涌現(xiàn)出各種新型的產(chǎn)品，使產(chǎn)品的功能和性能都大大提高。

高清晰度數(shù)字電視將取代傳統(tǒng)的模擬電視，數(shù)碼相機(jī)/攝像機(jī)將取代傳統(tǒng)的膠片相機(jī)/攝像機(jī)，IP電話將取代固定電話，智能網(wǎng)絡(luò)家電將取代現(xiàn)有的各種傳統(tǒng)家電，這些家電產(chǎn)品可以通過信息家電控制中心連接Internet，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、信息交互、網(wǎng)上娛樂、遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程教育等。

手機(jī)的發(fā)展是嵌入式技術(shù)與其他技術(shù)相結(jié)合并獲得成功應(yīng)用的良好范例。隨著網(wǎng)絡(luò)傳輸速率的進(jìn)一步提高，包括多媒體、彩色動(dòng)畫、移動(dòng)商務(wù)等新的無線應(yīng)用將逐漸涌現(xiàn)，手機(jī)將以提供數(shù)據(jù)服務(wù)為主，而不僅僅是提供通話功能。手機(jī)還進(jìn)一步融合了諸如PDA、電子商務(wù)、攝像/照相、MP3、電子游戲等功能，從而發(fā)展成為一種智能型手持終端。

家用機(jī)器人和各種智能玩具中也將大量應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)。

2．通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域

通信領(lǐng)域大量應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)，主要包括程控交換機(jī)、路由器、IP交換機(jī)和其他傳輸設(shè)備等。隨著寬帶網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，xDSLModem/Router等設(shè)備的數(shù)量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。在企業(yè)和家庭網(wǎng)絡(luò)中，這些主要基于32位的嵌入式系統(tǒng)將提供更加廉價(jià)、方便、靈活的網(wǎng)絡(luò)解決方案。

3．工業(yè)控制領(lǐng)域

在工業(yè)控制領(lǐng)域，嵌入式系統(tǒng)主要應(yīng)用于各種智能儀器儀表、數(shù)控裝置、可編程控制器、分布式控制系統(tǒng)、現(xiàn)場總線儀表及控制系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人、機(jī)電一體化設(shè)備等。

4．汽車電子領(lǐng)域

據(jù)統(tǒng)計(jì)，一般家用汽車大約擁有24個(gè)以上的嵌入式微處理器，高檔汽車中大約有60個(gè)以上的嵌入式微處理器在工作。

BMW7系列轎車中，平均安裝有63個(gè)嵌入式微處理器：車前的大燈和車后的尾燈都是用微處理器控制的；智能化的側(cè)視鏡與光學(xué)傳輸系統(tǒng)相連，可以指向汽車的下方，使得駕駛員在倒車時(shí)可以從車內(nèi)看清楚車體下的情況；車體內(nèi)的音響與傳感器和控制器相連，可以根據(jù)車內(nèi)環(huán)境噪聲的電平適當(dāng)調(diào)整音響音量安全氣囊的傳感器除了在發(fā)生撞車事故時(shí)給氣囊自動(dòng)充氣之外，還可以向GPS基地登記報(bào)案根據(jù)預(yù)測，21世紀(jì)初美國接入Internet的汽車將有1億輛。美國福特汽車公司的高級經(jīng)理曾宣稱：福特出售的“計(jì)算能力”已經(jīng)超過了IBM。ICInsights報(bào)道2001年車載計(jì)算系統(tǒng)的市場規(guī)模是30億美元，2004年達(dá)到46億美元。圖1-6所示為VOLVOS80汽車的CAN總線網(wǎng)絡(luò)。圖1-6VOLVOS80汽車的CAN總線網(wǎng)絡(luò)

5．醫(yī)療儀器領(lǐng)域

在醫(yī)療儀器領(lǐng)域，嵌入式系統(tǒng)主要應(yīng)用在各種醫(yī)療電子儀器中，如X光機(jī)、超聲診斷儀、計(jì)算機(jī)斷層成像系統(tǒng)、心臟起搏器、監(jiān)護(hù)儀、輔助診斷系統(tǒng)和專家系統(tǒng)等。

6．航空航天與軍事國防領(lǐng)域

嵌入式系統(tǒng)最早的應(yīng)用是在軍事和航空航天領(lǐng)域。目前軍事應(yīng)用的范圍繼續(xù)拓廣，如各種武器控制系統(tǒng)(火炮控制、導(dǎo)彈控制、智能炸彈的制導(dǎo)引爆)，坦克、艦艇、戰(zhàn)斗機(jī)等陸、海、空軍用電子裝備，雷達(dá)、電子對抗軍事通信裝備，各種野戰(zhàn)指揮作戰(zhàn)專用設(shè)備等。航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用更是不勝枚舉，航空電子設(shè)備、衛(wèi)星、導(dǎo)航、航天測控等系統(tǒng)中到處都可以見到嵌入式系統(tǒng)這個(gè)“幕后英雄”在辛勤工作。

1.4嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

應(yīng)用需求，嵌入式系統(tǒng)正朝著以下趨勢進(jìn)一步發(fā)展：(1)發(fā)展行業(yè)性嵌入式硬件平臺(tái)，制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

(2)隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，SOC將成為應(yīng)用主流。

(3)發(fā)展功能更加強(qiáng)大的開發(fā)工具和嵌入式操作系統(tǒng)，支持復(fù)雜度越來越高的嵌入式應(yīng)用軟件的開發(fā)。

(4)面向網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的嵌入式系統(tǒng)成為必然趨勢。

(5)嵌入式系統(tǒng)向新的嵌入式計(jì)算模型方向發(fā)展。

新型的嵌入式計(jì)算模型包括：

①支持自然的人機(jī)交互和互動(dòng)、圖形化、多媒體的嵌入式人機(jī)界面，使得用戶使用時(shí)操作簡便、直觀、無需學(xué)習(xí)。②支持二次開發(fā)、可編程的嵌入式系統(tǒng)，例如采用嵌入式Java技術(shù)可動(dòng)態(tài)加載、升級軟件。③支持分布式計(jì)算，通過與其他嵌入式系統(tǒng)或通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)互聯(lián)，從而構(gòu)成分布式計(jì)算環(huán)境。

2.1嵌入式處理器的分類

1．嵌入式微控制器

2．嵌入式微處理器

3．嵌入式DSP4．嵌入式片上系統(tǒng)2嵌入式處理器概述1．嵌入式微控制器

嵌入式微控制器又稱單片機(jī)常見的有8051。嵌入式微控制器將CPU、存儲(chǔ)器(少量的RAM、ROM或兩者都有)和其他外設(shè)封裝在同一片集成電路里，因?yàn)槠淦贤庠O(shè)資源一般比較豐富，適合于控制，所以稱為微控制器。特點(diǎn)：與嵌入式微處理器相比單片化，體積大大減小功耗和成本降低可靠性提高

由于微控制器低廉的價(jià)格、優(yōu)良的性能，因此擁有的品種和數(shù)量最多，是目前嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流。代表性的通用系列包括： MCS-8051、C166/167、MCS-251、MCS-96/196/296、P51XA、80C51MC68HC05/11/12/16、68300等。另外，還有許多半通用系列:支持USB接口的MCU8XC930/931、C540、C541支持I2C、CAN、LCD的眾多專用MCU和兼容系列。

2．嵌入式微處理器

歷史沿革：嵌入式微處理器是由通用計(jì)算機(jī)中的CPU演變而來的。區(qū)別：在實(shí)際應(yīng)用中，嵌入式系統(tǒng)是將微處理器裝配在專門設(shè)計(jì)的電路板上，只保留與嵌入式應(yīng)用緊密相關(guān)的功能硬件。特點(diǎn)：工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、功耗低和可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。代表產(chǎn)品：主要有Am186/88、386EX、PowerPC、ARM、MIPS、Motorola68K等。

3．嵌入式DSP

嵌入式DSP是專門用于信號(hào)處理的嵌入式芯片。DSP處理器在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令算法方面進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，使其適合于執(zhí)行DSP算法，因而能夠?qū)﹄x散時(shí)間信號(hào)進(jìn)行極快的處理計(jì)算，提高了編譯效率和執(zhí)行速度。嵌入式DSP處理器主要有兩方面的應(yīng)用：一方面，嵌入式DSP處理器經(jīng)過單片化設(shè)計(jì)，通過在片上增加豐富的外設(shè)使之成為具有高性能DSP功能的片上系統(tǒng)，如TI的TMS320C2000/C5000另一方面，在微處理器、微控制器或片上系統(tǒng)中增加DSP協(xié)處理器來實(shí)現(xiàn)DSP運(yùn)算，如Intel公司的MCS-296和Siemens公司的TriCore。

4．嵌入式片上系統(tǒng)

片上系統(tǒng)SOC(SystemOnChip)是20世紀(jì)90年代后出現(xiàn)的一種新的嵌入式集成器件。在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)從以嵌入式微處理器/DSP為核心的“集成電路”級設(shè)計(jì)不斷轉(zhuǎn)向“集成系統(tǒng)”級設(shè)計(jì)過程中，提出了SOC的概念。SOC追求產(chǎn)品系統(tǒng)的最大包容，已成為提高移動(dòng)通信、網(wǎng)絡(luò)、信息家電、高速計(jì)算、多媒體應(yīng)用以及軍用電子系統(tǒng)性能的核心器件。目前嵌入式系統(tǒng)已進(jìn)入單片SOC的設(shè)計(jì)階段，并開始逐步進(jìn)入實(shí)用化、規(guī)范化階段，集成電路已進(jìn)入SOC的設(shè)計(jì)流程。

SOC不是把系統(tǒng)所需要的所有集成電路簡單地二次集成到一個(gè)芯片上，而是從整個(gè)系統(tǒng)的性能要求出發(fā)，把微處理器、模型算法、芯片結(jié)構(gòu)、外圍器件等各層次電路器件緊密結(jié)合起來，并通過系統(tǒng)的軟、硬件協(xié)同設(shè)計(jì)，在單個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的功能。因此，SOC最大的特點(diǎn)就是成功實(shí)現(xiàn)了軟、硬件無縫結(jié)合，直接在處理器片內(nèi)嵌入操作系統(tǒng)的代碼模塊，滿足了單片系統(tǒng)所要求的高密度、高速度、高性能、小體積、低電壓和低功耗等指標(biāo)。典型的幾款SOC產(chǎn)品：

Siemens的TriCorePhilips的SmartXAMotorola的M-Core

某些ARM系列芯片

Echelon和Motorola聯(lián)合研制的Neuron芯片等。2.2典型的嵌入式處理器

1．ARM處理器

優(yōu)良的性能和廣泛的市場定位極大地增加和豐富了ARM的資源，加速了基于ARM處理器面向各種應(yīng)用的系統(tǒng)芯片的開發(fā)和發(fā)展，使得ARM技術(shù)獲得更加廣泛的應(yīng)用，確立了ARM技術(shù)和市場的領(lǐng)先地位。目前，采用ARM技術(shù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)核的微處理器各類產(chǎn)品市場，基于ARM技術(shù)的微處理器應(yīng)用約占據(jù)了32位RISC微處理器75%以上的市場份額，ARM技術(shù)正在逐步滲入到我們生活的各個(gè)方面。

基于ARM核嵌入式芯片的典型應(yīng)用主要有：●汽車產(chǎn)品：如車載娛樂系統(tǒng)、車載安全裝置、自主導(dǎo)航系統(tǒng)等。●消費(fèi)娛樂產(chǎn)品：如數(shù)字視頻、Internet終端、交互電視、機(jī)頂盒、數(shù)字音頻播放器、數(shù)字音樂板、游戲機(jī)等?！駭?shù)字影像產(chǎn)品：如信息家電、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)字系統(tǒng)打印機(jī)等?！窆I(yè)控制產(chǎn)品：如機(jī)器人控制、工程機(jī)械、冶金控制、化工生產(chǎn)控制等?！窬W(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品：如網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)、PCI網(wǎng)絡(luò)接口卡、ADSL調(diào)制解調(diào)器、路由器等。

●安全產(chǎn)品：如電子付費(fèi)終端、銀行系統(tǒng)付費(fèi)終端、智能卡、SIM卡等?！翊鎯?chǔ)產(chǎn)品：從PCI到Ultra2SCSI64位RAID控制器、硬盤控制器、U盤等?！駸o線產(chǎn)品：如手機(jī)、PDA，目前85%以上的手機(jī)基于ARM核。除此以外，ARM微處理器及技術(shù)還應(yīng)用到許多不同的領(lǐng)域，并會(huì)在將來獲得更加廣泛的應(yīng)用。

2．PowerPC處理器

3．MIPS處理器

MIPS是MicroprocessorwithoutInterlockedPipelineStages的縮寫，即“無內(nèi)部互鎖流水級的微處理器”，它是由MIPS技術(shù)公司開發(fā)的。4．Sparc處理器

Sparc處理器是由Sun公司自行研發(fā)的微處理器芯片。主要有3個(gè)系列。

5．龍芯一號(hào)處理器

龍芯一號(hào)處理器是神州龍芯公司推出的兼顧通用及嵌入式處理器特點(diǎn)的新一代32位處理器。2.3ARM處理器基礎(chǔ)

采用RISC架構(gòu)的ARM微處理器一般具有如下特點(diǎn)：

(1)體積小、低功耗、低成本、高性能。

(2)支持Thumb(16位)/ARM(32位)雙指令集，能很好地兼容8位/16位器件。

(3)大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快。

(4)大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成，通過Load/Store結(jié)構(gòu)在內(nèi)存和寄存器之間傳遞數(shù)據(jù)。

(5)尋址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高。

(6)指令長度固定。

除此之外，ARM系列采用了一些特別的技術(shù)，在保證高性能的同時(shí)盡量減小芯片體積、降低芯片功耗。這些技術(shù)包括：

(1)在同一條數(shù)據(jù)處理指令中包含算術(shù)邏輯處理單元，以進(jìn)行算術(shù)處理和移位處理。

(2)使用地址自動(dòng)增加(減少)來優(yōu)化程序中的循環(huán)處理。

(3)Load/Store指令可以批量傳輸數(shù)據(jù)，從而提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省?/p>

(4)所有指令都可以根據(jù)前面的指令執(zhí)行結(jié)果決定是否執(zhí)行，以提高指令執(zhí)行的效率。

在過去的10年中，ARM技術(shù)的突出成果表現(xiàn)在：

(1)引入新穎的“Thumb”壓縮指令格式，降低了小型系統(tǒng)的成本和電源消耗。

(2)ARM9、ARM10、StrongARM和ARM11等系列處理器的開發(fā)，顯著提高了ARM的性能，使得ARM技術(shù)在面向高端數(shù)字音頻、視頻處理等多媒體產(chǎn)品的應(yīng)用中更加廣泛。

(3)先進(jìn)的軟件開發(fā)和調(diào)試環(huán)境加快了用戶產(chǎn)品的開發(fā)進(jìn)程。

(4)廣泛的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟使得基于ARM的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域更加廣闊。

(5)嵌入在復(fù)雜SOC中、基于ARM核的調(diào)試系統(tǒng)代表著當(dāng)今片上調(diào)試技術(shù)的前沿。2.4ARM處理器系列ARM微處理器目前包括下面幾個(gè)系列：●ARM7系列●ARM9系列●ARM9E系列●ARM10系列●SecurCore系列●Intel的StrongARM●Intel的Xscale

1．ARM7微處理器系列

ARM7系列微處理器為低功耗的32位RISC處理器，最適合對價(jià)位和功耗要求較高的消費(fèi)類應(yīng)用。ARM7微處理器系列具有如下特點(diǎn)：

(1)具有嵌入式ICE-RT邏輯，調(diào)試開發(fā)方便。

(2)極低的功耗，適合對功耗要求較高的應(yīng)用，如便攜式產(chǎn)品。

(3)能夠提供0.9MIPS/MHz的三級流水線結(jié)構(gòu)。

(4)代碼密度高并兼容16位的Thumb指令集。

(5)對操作系統(tǒng)的支持廣泛，包括WindowsCE、Linux、PalmOS等。

(6)指令系統(tǒng)與ARM9系列、ARM9E系列和ARM10系列兼容，便于用戶的產(chǎn)品升級換代。

(7)主頻最高可達(dá)130MHz，高速的運(yùn)算處理能力能勝任絕大多數(shù)的復(fù)雜應(yīng)用。

ARM7系列微處理器的主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)椋汗I(yè)控制、Internet設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和調(diào)制解調(diào)器設(shè)備、移動(dòng)電話等多種多媒體和嵌入式應(yīng)用。

ARM7TDMI的名稱含義為：

ARM7：32位ARM體系結(jié)構(gòu)4T版本，ARM632位整型核的3V兼容的版本；

T：支持16位壓縮指令集Thumb；

D：支持片上調(diào)試(Debug)；

M：內(nèi)嵌硬件乘法器(Multiplier)；

I：嵌入式ICE，支持片上斷點(diǎn)和調(diào)試點(diǎn)。

ARM9主要具有以下特點(diǎn)：

(1)5級整數(shù)流水線，指令執(zhí)行效率更高。

(2)提供1.1MIPS/MHz的哈佛結(jié)構(gòu)。

(3)支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。

(4)支持32位的高速AMBA總線接口。

(5)全性能的MMU，支持WindowsCE、Linux、PalmOS等多種主流嵌入式操作系統(tǒng)。

(6)MPU支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

(7)支持?jǐn)?shù)據(jù)Cache和指令Cache，具有更高的指令和數(shù)據(jù)處理能力。ARM實(shí)例—藍(lán)牙技術(shù)

藍(lán)牙(Bluetooth)技術(shù)是一種近距離無線通信的開放性全球規(guī)范，它定位于現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)末端的無線連接，其目的是提供一個(gè)低成本、高可靠性、支持較高質(zhì)量的語音和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線通信網(wǎng)絡(luò)。

1997年Ericsson公司首先提出“藍(lán)牙”一詞。1999年成立藍(lán)牙特別興趣小組SIG(SpecialInterestGroup)，創(chuàng)始者包括：Ericsson、IBM、Intel、Nokia、Toshiba、3COM、Lucent、Motorola、Microsoft。藍(lán)牙SIG負(fù)責(zé)開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、資格認(rèn)證及測試程序，并從事全球標(biāo)準(zhǔn)、頻率和規(guī)則的協(xié)調(diào)。

圖3-1藍(lán)牙體系結(jié)構(gòu)

1．藍(lán)牙硬件模塊

硬件模塊中的射頻RF部分通過2.4GHz無需授權(quán)的ISM頻段，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)位流的過濾和傳輸，主要定義藍(lán)牙收發(fā)器應(yīng)滿足的要求?；鶐覤B負(fù)責(zé)跳頻和藍(lán)牙數(shù)據(jù)及信息幀的傳輸。鏈路管理層LM負(fù)責(zé)連接的建立和拆除以及鏈路的安全和控制。無需授權(quán)的頻段主要有27MHz、400MHz、2.4GHz，這些無須無線電管理委員會(huì)的許可。

藍(lán)牙采用跳頻技術(shù)來消除干擾和降低衰落，跳頻速率為1600次/s。藍(lán)牙在兩種頻段上定義了兩種信道分配方案。一種是美國、歐洲和其他大多數(shù)國家的標(biāo)準(zhǔn)，頻段為2.4～2.4835GHz，信道分配為f=2402＋kMHz(k=0,…,78)，共計(jì)79個(gè)跳頻信道；由于法國等在此頻段范圍有限制，因此使用另一種跳頻方案，頻段為2.4465～2.4835GHz，信道分配為f=2454＋kMHz(k=0,…,22)，共計(jì)23個(gè)跳頻信道。為減少帶外輻射和干擾，系統(tǒng)在上/下頻帶邊緣使用保護(hù)帶。對于79信道系統(tǒng)，下保護(hù)帶是2MHz，上保護(hù)帶是3.5MHz。每個(gè)信道為1MHz帶寬，支持的信道配置如表7-2所示。表3-1信

道

配

置

RF定義了三種功率級別，即100mW、2.5mW和1mW。設(shè)備功率為1mW(0dBm)時(shí)，發(fā)射范圍一般可達(dá)10m。在發(fā)送過程中藍(lán)牙使用功率控制來限制發(fā)射功率。藍(lán)牙為支持電路交換和分組交換，分別定義了兩種鏈路類型，即同步面向連接SCO鏈路和異步面向無連接ACL鏈路。SCO鏈路預(yù)留時(shí)隙，可以看作電路交換連接，一般用于時(shí)間受限的應(yīng)用。主節(jié)點(diǎn)通過鏈路管理器協(xié)議LMP發(fā)送一個(gè)SCO建立消息來建立SCO鏈路。對于沒有被SCO鏈路預(yù)留的時(shí)隙，主節(jié)點(diǎn)可以與任何從節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。ACL鏈路提供了一種分組交換的機(jī)制，主節(jié)點(diǎn)可以與任何從節(jié)點(diǎn)進(jìn)行異步的或同步的通信。在一個(gè)主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)之間只能存在一個(gè)ACL鏈路，對于多個(gè)ACL分組，分組重傳可以用來確保數(shù)據(jù)的完整性。藍(lán)牙的雙工方式為時(shí)分復(fù)用TDD。

藍(lán)牙組網(wǎng)時(shí)最多可以由256個(gè)藍(lán)牙單元設(shè)備連接起來組成微微網(wǎng)(Piconet)，其中1個(gè)主節(jié)點(diǎn)和7個(gè)從節(jié)點(diǎn)處于工作狀態(tài)，而其他節(jié)點(diǎn)則處于空閑模式。主節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)控制ACL鏈路的帶寬，并決定微微網(wǎng)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以占用多少帶寬及連接的對稱性。從節(jié)點(diǎn)只有被選中時(shí)才能傳送數(shù)據(jù)，即從節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)前必須接受輪詢(Poll)。ACL鏈路也支持接收主節(jié)點(diǎn)發(fā)給微微網(wǎng)中所有從節(jié)點(diǎn)的廣播消息。微微網(wǎng)之間可以重疊交叉，從設(shè)備單元可以共享。由多個(gè)相互重疊的微微網(wǎng)組成的網(wǎng)絡(luò)稱為散射網(wǎng)(Scatternet)。

藍(lán)牙的節(jié)能狀態(tài)包括三種，依照節(jié)能效率以升序排列依次是：呼吸(Sniff)、保持(Hold)和停等(Park)。在Sniff狀態(tài)，從節(jié)點(diǎn)降低了從微微網(wǎng)收聽消息的速率；在Hold狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)停止傳送數(shù)據(jù)，一旦激活，數(shù)據(jù)傳遞立即重新開始；在Park狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)被賦予Park節(jié)點(diǎn)地址PMA，并以一定間隔監(jiān)聽主節(jié)點(diǎn)的消息。主節(jié)點(diǎn)的消息包括：詢問該節(jié)點(diǎn)是否愿意成為活動(dòng)節(jié)點(diǎn)，詢問任何停等節(jié)點(diǎn)是否愿意成為活動(dòng)節(jié)點(diǎn)，廣播消息。

藍(lán)牙的糾錯(cuò)方案包括：1/3前向糾錯(cuò)FEC、2/3前向糾錯(cuò)和自動(dòng)重傳ARQ。前向糾錯(cuò)一般應(yīng)用于噪聲干擾較大的信道。對于SCO鏈路，使用1/3前向糾錯(cuò)；對于ACL鏈路，使用2/3前向糾錯(cuò)；ARQ要求傳送的數(shù)據(jù)在下一個(gè)時(shí)隙得到確認(rèn)，而確認(rèn)消息的產(chǎn)生要求數(shù)據(jù)在收端必須通過報(bào)頭錯(cuò)誤檢測和循環(huán)冗余校驗(yàn)CRC。

跳頻技術(shù)本身即是一種安全保障，另外在鏈路層安全管理方面，藍(lán)牙還提供了認(rèn)證、加密和密匙管理等功能。藍(lán)牙為每個(gè)用戶都賦予了一個(gè)個(gè)人標(biāo)識(shí)碼PIN(PersonalIdentificationNumber)，被譯成128bit的鏈路密匙進(jìn)行單雙向認(rèn)證。認(rèn)證完畢后，鏈路會(huì)以不同長度的密碼進(jìn)行加密。藍(lán)牙密匙以8bit為單位增減，最長128bit。藍(lán)牙系統(tǒng)還支持高層協(xié)議棧的不同應(yīng)用體內(nèi)特殊的安全機(jī)制。藍(lán)牙自身的安全機(jī)制主要依賴于PIN在設(shè)備之間建立信任關(guān)系，關(guān)系建立后PIN將存儲(chǔ)在設(shè)備中以備將來便捷地連接。

2．藍(lán)牙軟件模塊

藍(lán)牙底層硬件模塊與上層軟件模塊之間的消息和數(shù)據(jù)傳遞必須通過藍(lán)牙主機(jī)控制器接口HCI(HostControllerInterface)的解釋才能進(jìn)行。HCI提供了一個(gè)調(diào)用下層BB、LM、狀態(tài)和控制寄存器等硬件的統(tǒng)一命令接口。HCI以上的協(xié)議軟件實(shí)體運(yùn)行在主機(jī)上，以下的功能由藍(lán)牙設(shè)備完成，二者之間通過傳輸層進(jìn)行交互。

軟件模塊中L2CAP屬于數(shù)據(jù)鏈路層的一部分，負(fù)責(zé)向上層提供面向連接和無連接的數(shù)據(jù)服務(wù)，其功能包括：協(xié)議的復(fù)用能力、分組的分割和重組、組提取。

SDP為應(yīng)用提供了一個(gè)發(fā)現(xiàn)可用協(xié)議和決定這些可用協(xié)議特性的方法。SDP強(qiáng)調(diào)藍(lán)牙環(huán)境的特性，使用基于客戶機(jī)/服務(wù)器機(jī)制定義根據(jù)藍(lán)牙服務(wù)類型和屬性發(fā)現(xiàn)服務(wù)的方法，還提供了服務(wù)瀏覽的方法。RFCOMM是射頻通信協(xié)議，可以仿真串行電纜接口協(xié)議。通過RFCOMM，藍(lán)牙可以在無線環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對高層協(xié)議，如PPP、TCP/IP、WAP等的支持。RFCOMM還支持AT命令集，從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)電話、傳真機(jī)等與MODEM之間的無線連接。TCS是一個(gè)基于ITU-T建議Q.931、面向比特的協(xié)議，定義了藍(lán)牙設(shè)備間建立語音和數(shù)據(jù)呼叫的控制信令，用于處理藍(lán)牙TCS設(shè)備的移動(dòng)性管理過程。

3．藍(lán)牙應(yīng)用模型

藍(lán)牙的應(yīng)用模式相當(dāng)廣泛。結(jié)合藍(lán)牙SIG定義的幾種基本應(yīng)用模型，可以列出以下一些顯著的應(yīng)用模式：*一機(jī)多用電話模式；*頭戴式耳機(jī)/聽筒設(shè)備模式；*互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)橋模式；*局域網(wǎng)接入模式；*文件傳輸模式；*同步運(yùn)行模式；*數(shù)字影像模式；*智能汽車系統(tǒng)模式；*家庭信息網(wǎng)絡(luò)模式；*流動(dòng)辦公與電子商務(wù)模式。

概括起來，可以將藍(lán)牙的應(yīng)用模型劃分為以下三種：

(1)替代線纜(CableReplacement)。最簡單的應(yīng)用是點(diǎn)對點(diǎn)的替代線纜，再復(fù)雜一些的就是由至多8個(gè)藍(lán)牙設(shè)備構(gòu)成微微網(wǎng)。

(2)因特網(wǎng)橋(InternetBridge)。藍(lán)牙規(guī)范基于網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施(InfrastructuredNetwork)定義了網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)(NetworkAccessPoint)的概念，允許設(shè)備通過藍(lán)牙接入點(diǎn)(BAP，BluetoothAccessPoint)訪問網(wǎng)絡(luò)資源，如訪問LAN、Intranet、Internet和基于LAN的文件服務(wù)與打印設(shè)備。通過接入點(diǎn)和微微網(wǎng)的結(jié)合，從而最終實(shí)現(xiàn)不同類型和功能的設(shè)備依托此網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)共享語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)服務(wù)。建立這樣的藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)除了BAP之外，還需要本地網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器及網(wǎng)絡(luò)管理軟件。

(3)臨時(shí)組網(wǎng)(AdHocNetwork)。臨時(shí)組網(wǎng)指沒有固定的路由設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)都可以自由移動(dòng)，并以任意方式動(dòng)態(tài)連接，即節(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)加入或離開，網(wǎng)絡(luò)中的一些節(jié)點(diǎn)客串路由器來發(fā)現(xiàn)和維護(hù)與其他節(jié)點(diǎn)間的路由。藍(lán)牙規(guī)范基于無網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施(Infrastructure-lessNetwork)定義的散射網(wǎng)(Scatternet)的概念，其意圖即在建立完全對等的臨時(shí)組網(wǎng)。在保證一定誤碼率和沖突限度的前提下，一個(gè)散射網(wǎng)可由至多10個(gè)微微網(wǎng)構(gòu)成。但是當(dāng)前的藍(lán)牙協(xié)議并不支持完全對等的通信，如果微微網(wǎng)中充當(dāng)主節(jié)點(diǎn)的設(shè)備突然離去，那么剩余的設(shè)備不會(huì)自發(fā)地組建新的微微網(wǎng)。

4．藍(lán)牙技術(shù)存在的問題藍(lán)牙技術(shù)存在的主要問題包括：(1)2.4GHzISM頻段使用的電磁兼容和頻率共用問題。(2)互操作與兼容性問題。(3)保密安全問題。(4)與其他相關(guān)技術(shù)的競爭問題。(5)價(jià)格、可靠性等綜合吸引力問題。

2基于網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)示例

2.1遠(yuǎn)程溫度檢測系統(tǒng)

1．硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。C8051F020的P7口采用復(fù)用方式與以太網(wǎng)控制器RTL8019AS的數(shù)據(jù)/地址線相接。P5.2與RTL8019AS的復(fù)位端相接，對其實(shí)現(xiàn)冷復(fù)位。RTL8019AS外接一個(gè)隔離LPF濾波器，通過RJ-45接口接入以太網(wǎng)。多個(gè)單總線溫度傳感器DSl8B20共享一條總線，由P3.0口進(jìn)行控制。

圖3-2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2．軟件實(shí)現(xiàn)

1)TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)介質(zhì)訪問層主要由以太網(wǎng)控制器RTL8019AS來實(shí)現(xiàn)，其數(shù)據(jù)通信協(xié)議采用IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)，它只處理接收地址與本機(jī)物理地址相符或?yàn)閺V播地址的以太幀，并且只對ARP和IP數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行處理。網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)IP、ARP和ICMP協(xié)議。IP數(shù)據(jù)報(bào)的首部保留20字節(jié)的基本控制信息，每個(gè)IP數(shù)據(jù)報(bào)包含一個(gè)分片，實(shí)現(xiàn)完整的ARP協(xié)議。對于ICMP協(xié)議，只實(shí)現(xiàn)ICMP中類型號(hào)為0，代碼為0的Ping應(yīng)答協(xié)議。

傳輸層實(shí)現(xiàn)TCP協(xié)議。在系統(tǒng)中，TCP協(xié)議只用于支持HTTP協(xié)議，由于在連接時(shí)系統(tǒng)一直處于被動(dòng)服務(wù)的狀態(tài)，因此在設(shè)計(jì)中省去了SYN－SENT狀態(tài)和CLOSED狀態(tài)，讓它一開始就處于LISTEN狀態(tài)，來監(jiān)聽客戶端的連接請求，避免了主動(dòng)打開的操作，可更高效地服務(wù)于客戶機(jī)。當(dāng)該服務(wù)器發(fā)出數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)，并不存儲(chǔ)這個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)，只是記錄下這個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)的狀態(tài)信息。由于系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸量少，因此滑動(dòng)窗口設(shè)置為一個(gè)固定值(1500字節(jié))。應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)HTTP協(xié)議。現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備與用戶的交互式數(shù)據(jù)交換通過HTTP協(xié)議來實(shí)現(xiàn)。HTTP在端口80上使用TCP的服務(wù)。圖3-3ICP/IP協(xié)議部分程序流程圖

2)μC/OS-Ⅱ的溫度監(jiān)測實(shí)時(shí)管理

首先，需要完成μC/OS-Ⅱ在C8051F020單片機(jī)上的移植。在移植過程中主要完成五個(gè)文件的修改，它們是與CPU相關(guān)的文件：OS_CPU_A.ASM、OS_CPU_C.C