數(shù)字時鐘的嵌入式系統(tǒng)的設計

1、數(shù)字時鐘的嵌入式系統(tǒng)的設計一、概述隨著信息化、智能化、網(wǎng)絡化的發(fā)展以及計算機技術(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類產(chǎn)品的共同發(fā)展方向。嵌入式系統(tǒng)是 以應用為中心，以計算機技術(shù)為基礎，軟硬件可裁剪，適應應用系統(tǒng)，對功能、可靠性、 成本、體積、功耗等有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式技術(shù)的應用到處可見，應用十分廣泛。如家庭中的數(shù)字電視、機頂盒、DVD、 超級VCD智能手機等：辦公室中的復印機、打印機、掃描儀、鍵盤燈；手持設備也用到了 嵌入式技術(shù)，包括MP3、GPS手機、數(shù)碼相機、數(shù)碼攝像機等：汽車電子產(chǎn)品：電子地圖、 導航、車載GPS等。其他領域，如通信、

2、機器人等都應用到了嵌入式技術(shù)，由此可以看出, 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展已日趨成熟了。隨著計算機技術(shù)、信息技術(shù)和網(wǎng)絡技術(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)字時鐘，LED顯示時間，通過鍵盤和觸摸屏均可以校對時鐘。二、系統(tǒng)的研究及實現(xiàn)（一）嵌入式系統(tǒng)的概況嵌入式系統(tǒng)被定義為：以應用為中心，以計算機技術(shù)為基礎、軟件硬件可剪裁、適應 應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)是 現(xiàn)代多學科互相融合的產(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 存儲器，有可靠性高、成本低、體積小、功耗少等特點。嵌

3、入式系統(tǒng)乂是知識密集，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 件于一體的可獨立工作的“器件”。嵌入式處理器主要由一個單片機或微控制器組成。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 很強的經(jīng)濟性。相關(guān)支撐硬件包括顯示卡、存儲介質(zhì)、通訊設備、IC卡或信用卡的讀取設 備等。嵌入式系統(tǒng)有別于一般的計算機處理系統(tǒng)，它不具備像硬盤那樣大容量的存儲介質(zhì), 而大多使用閃存作為存儲介質(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

4、、標準化瀏覽器和應用軟件等。（二）軟硬件的設計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)硬件平臺的選擇主要 是嵌入式處理器的選擇。在一個系統(tǒng)中使用什么樣的嵌入式處理器內(nèi)核主要取決于應用的 領域、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，通過系統(tǒng)總線將CPU、電源管理模塊、 存儲器、控

5、制器、LCD控制器、中斷控制器連接在一起，通過外設總線和A/D轉(zhuǎn)換器、看 門狗定時器、通過I/O控制器、PWM定時器等連接在一起。S3c44B0X的160個引腳中,71 個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)或選擇控制設備的操作模式，LCD通過數(shù)據(jù)總線寄存器及使能信號與處 理器連接實現(xiàn)觸摸屏驅(qū)動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)和應用軟件組成，編譯過程是一起進行的。 而操作系統(tǒng)的軟件乂與硬件緊密相關(guān)，必須與具體應用相結(jié)合才能發(fā)揮其優(yōu)勢，即必須 結(jié)合實際系統(tǒng)的需求進行合理的裁剪。所以，如果能夠建立相對通

6、用的軟硬件基礎，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)是指能夠運行操作系統(tǒng)的軟硬件綜合體。就實時嵌入式操作系統(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：1）可裁剪的微內(nèi)核結(jié)構(gòu)，高效的多任務優(yōu)先級管理，Us級的中斷處理（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 及任務間通信（這一點對于電力系統(tǒng)并行計算有可借鑒之處）；3）具有共享內(nèi)存，有利于實時數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)：4）靈活的引導方式（支持從ROM/flash/本地盤/網(wǎng)絡引導），引導操作系統(tǒng)事件更短，甚至可以一上電在秒級的時間內(nèi)就跳轉(zhuǎn)至用戶程序處等等。從這些特點可看出，在工業(yè)控制等領域以嵌入式RTOS作為軟件平臺將比Windows.UNI X、OS/2。等商用操作系統(tǒng)更有其特殊的優(yōu)勢。例如東北電網(wǎng)的SCADA與EMS中就 采用了 VXM實時操作系統(tǒng)。目前國際上己有幾百個成熟的實時嵌入式操作系統(tǒng)，而我國在這方面起步較晚。這里 將比較兩種實時操作系統(tǒng)以說明選擇uC

8、/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512 kb° uC/OS-H內(nèi)核編譯過后大約為6r Okbe核發(fā)展II內(nèi) 核是針對實時系統(tǒng)的要求設計實現(xiàn)的，可以滿足較高的實時性要求。而uCLinux僅針對 嵌入式處理器進行了改良，實時性不如uC/OSTI優(yōu)越。uCLinux繼承了 Linux內(nèi)核的特點, 支持文件系統(tǒng)和網(wǎng)絡能力，并提供了一些API接口函數(shù)，而uC/OSTI只是一個實時內(nèi)核, 要建立一個實用的系統(tǒng)，還需要進行擴展。由于該系統(tǒng)設計對實時性要求很高，所以本文選擇uC/OS-II內(nèi)核

9、進行移植。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現(xiàn)，其他各層由軟件實現(xiàn)，如圖1。圖1： 0SI模型和系統(tǒng)軟硬件劃分（三）系統(tǒng)的實現(xiàn)由r-嵌入式應用軟件是通過并發(fā)的任務來運作的，應用軟件開發(fā)的系統(tǒng)設計將系統(tǒng)劃 分為多個并發(fā)執(zhí)行的任務，通過相互間通信建立聯(lián)系。根據(jù)需求劃分任務是比較重要的一 步，通用部分可以劃分為各個功能子模塊。本文中設計的保護測控系統(tǒng)，劃分成數(shù)據(jù)采集、液晶操作、健盤處理、循環(huán)計算程序、 保護量計算、繼電器出口等任務，每一個任務根據(jù)相互之間的關(guān)系及數(shù)據(jù)流設置優(yōu)先級 以及執(zhí)行頻率，這些設置好之后都由內(nèi)

10、核實現(xiàn)調(diào)度和任務之間的通信。同時還要根據(jù)實際情況設置中斷的優(yōu)先級。在以uC/OS-l為操作系統(tǒng)的項目中，系統(tǒng) 可能要處理各種不同的中斷請求，如果某個中斷處理程序需要調(diào)用uC/OS-II的各種Post 函數(shù)向任務發(fā)出消息，那么uC/OS-II中的中斷服務程序的寫法是：1）保存全部CPI寄存器；2）調(diào)用OSIntEnter或OSIntNesting直接加1：3）執(zhí)行用戶代碼做中斷服務：4）調(diào)用OSIntExit；5）恢復所有CPU寄存器；6）執(zhí)行中斷返回指令。這種方式實際上是將這個中斷處理加入了任務調(diào)度系統(tǒng)，也就是說這個中斷可以引起 任務的切換，也叫“標準中斷”。如果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)時的寫法：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不會引起任務切換，稱為“快中斷”。API函數(shù)用戶應用程序驅(qū)動程