而嵌人式系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)是讓軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)作為一個(gè)整體并行設(shè)計(jì)，找到軟硬件的最佳結(jié)合點(diǎn)，從而使系統(tǒng)高效工作。協(xié)同設(shè)計(jì)的基本思路如圖2所示。

從圖2可以看出，軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)最主要的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是在設(shè)計(jì)過(guò)程中，硬件和軟件設(shè)計(jì)是相互作用的，這種相互作用發(fā)生在設(shè)計(jì)過(guò)程的各個(gè)階段和各個(gè)層次。

設(shè)計(jì)過(guò)程充分體現(xiàn)了軟硬件的協(xié)同性。在軟硬件功能分配時(shí)就考慮到了現(xiàn)有的軟硬件資源，在軟硬件功能的設(shè)計(jì)和仿真評(píng)價(jià)過(guò)程中，軟件和硬件是互相支持的。這就使得軟硬件功能模塊能夠在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的早期互相結(jié)合，從而及早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及早解決，避免了(至少可以減少)在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)后期反復(fù)修改系統(tǒng)以及由此帶來(lái)的一系列問(wèn)題，而且有利于挖掘系統(tǒng)潛能、縮小產(chǎn)品的體積、降低系統(tǒng)成本、提高系統(tǒng)整體性能。

2軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的過(guò)程

總的來(lái)說(shuō)，軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程可以分為系統(tǒng)描述、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真驗(yàn)證與綜合實(shí)現(xiàn)4個(gè)階段。

系統(tǒng)描述是用一種或多種系統(tǒng)級(jí)描述語(yǔ)言對(duì)所要設(shè)計(jì)的嵌入式系統(tǒng)的功能和性能進(jìn)行全面的描述，建立系統(tǒng)的軟硬件模型的過(guò)程。系統(tǒng)建模可以由設(shè)計(jì)者用非正式語(yǔ)言，甚至是自然語(yǔ)言來(lái)手工完成，也可以借助EDA工具實(shí)現(xiàn)。手工完成容易導(dǎo)致系統(tǒng)描述不準(zhǔn)確，在后續(xù)過(guò)程中需要修改系統(tǒng)模型，從而使系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜化等問(wèn)題，而優(yōu)秀的EDA工具可以克服這些弊端。

1．2 嵌入式軟PLC的軟件結(jié)構(gòu)
    嵌入式軟PLC程序包括兩類：一類是編輯狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)PLC程序的輸入和編譯功能；另一類是面向生產(chǎn)過(guò)程的應(yīng)用程序。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)由4部分組成，分別是編輯模塊、編譯模塊、執(zhí)行模塊和監(jiān)控模塊。軟件PLC系統(tǒng)模塊間的數(shù)據(jù)流程如圖2所示。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵組成部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2．1 梯形圖編輯器
    Qt／Embedded是著名的Qt庫(kù)開(kāi)發(fā)商Trolltech推出的面向嵌入式系統(tǒng)的Qt版本。Qt／Embedded具有可移植性強(qiáng)和支持跨平臺(tái)開(kāi)發(fā)等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)采用Qt編寫(xiě)界面，梯形圖編輯器的界面如圖3所示。

2．1．1 梯形圖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    梯形圖編輯具有方便、邏輯直觀的特點(diǎn)，梯形圖編輯器借助于梯形圖的內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)顯示、插入、刪除、代碼轉(zhuǎn)化等功能。
 原文出處:http://www.asmag.com.cn/apply/jishu_detail.aspx?aid=16882

　因此，Linaro的主要任務(wù)在于各類芯片平臺(tái)上提供統(tǒng)一的軟件核心層與中介軟件，以有效解決OEM與ODM在系統(tǒng)整合上的問(wèn)題，如軟件核心層與硬件芯片的整合、適當(dāng)程序代碼的搜尋、系統(tǒng)效能等。半導(dǎo)體業(yè)者在未來(lái)的芯片設(shè)計(jì)上，也可依循Linaro所提供的架構(gòu)為基礎(chǔ)，提供系統(tǒng)業(yè)者更容易的開(kāi)發(fā)環(huán)境。

　　另一方面，基于Linux的多樣性，Linaro也會(huì)針對(duì)MeeGo、Android、Ubuntu等以Linux為基礎(chǔ)的平臺(tái)，進(jìn)行投資與研發(fā)，以進(jìn)一步強(qiáng)化各類SOC平臺(tái)與廣泛的Linux系統(tǒng)之間的整合�！�　

　�、僖�?yàn)槟K化，軟件的總體結(jié)構(gòu)更容易理解；
　�、谥灰桥c某一個(gè)外設(shè)相互作用，必然是通過(guò)他的驅(qū)動(dòng)程序來(lái)起作用的，這樣查找錯(cuò)誤和故障就更容易些；
　�、塾捎布淖儎�(dòng)導(dǎo)致的軟件變化集中在設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序上，這樣做有助于減少系統(tǒng)變動(dòng)時(shí)改變軟件設(shè)計(jì)工作量，盡量做到軟件復(fù)用，縮短開(kāi)發(fā)周期，這對(duì)提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)能力有實(shí)際意義。

　　2　編寫(xiě)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的方法和步驟

　　本文以摩托羅拉公司冷火系列（coldfire）嵌入式 微處理器MCF5307定時(shí)器為例，討論在用C＋＋語(yǔ)言編寫(xiě)嵌入式系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，如何做到盡量隱藏硬件的方法和步驟。
　�。�1）覆蓋設(shè)備的存儲(chǔ)映像控制及狀態(tài)設(shè)備寄存器數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
　　MCF5307的寄存器C語(yǔ)言描述文件是MCF5307．h，這個(gè)文件對(duì)MCF5307的系統(tǒng)寄存器和片上外設(shè)控制和狀態(tài)寄存器以結(jié)構(gòu)或聯(lián)合的方式做了定義。在Timer．cpp添加MCF5307．h并在頭文件文件中定義MCF5307＿IMM類型全局指針變量imm后就可以訪問(wèn)這些寄存器（使用timer1）。如下所示：
　�。efine MBAR＿ADDR　　　0x10000000
　�。efine VBR 0x0　　MCF5307＿IMM
　�。猧mm＝（MCF5307＿IMM＊）MBAR＿ADDR；
　　在timer類構(gòu)造函數(shù)中對(duì)MCF5307定時(shí)器控制和狀態(tài)寄存器作硬件初始化，使其產(chǎn)生周期為1 ms的節(jié)拍中斷。

　�。�2）跟蹤目前硬件和設(shè)備驅(qū)動(dòng)狀態(tài)的一組變量
　　驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)過(guò)程的第二步是確定變量來(lái)跟蹤硬件和設(shè)備驅(qū)動(dòng)的狀態(tài)。比如，要確定硬件是否已經(jīng)初始化過(guò)或跟蹤當(dāng)前計(jì)數(shù)器的值。
　　設(shè)備的驅(qū)動(dòng)不只創(chuàng)建一個(gè)軟件設(shè)備，他們純粹是邏輯設(shè)備，在基本外圍硬件之上實(shí)現(xiàn)。容易設(shè)想從單獨(dú)鐘，正如在Windows下定時(shí)器編程一樣。系統(tǒng)的定時(shí)器應(yīng)該被設(shè)置以產(chǎn)生一個(gè)周期性的時(shí)鐘節(jié)拍（tick），比如ms。設(shè)備驅(qū)動(dòng)則保持創(chuàng)建的每個(gè)軟件時(shí)鐘的狀態(tài)信息來(lái)管理一組不同長(zhǎng)度的軟件時(shí)鐘。

　�。�3）一個(gè)把硬件初始化到已知狀態(tài)的例程
　　確定跟蹤物理和邏輯設(shè)備的狀態(tài)的變量后，接下來(lái)是實(shí)際與設(shè)備交互和控制函數(shù)。首先從設(shè)備初始化例程開(kāi)始，把設(shè)備狀態(tài)設(shè)定到一個(gè)已知的狀態(tài)。然后就是啟動(dòng)定時(shí)器，并且在啟動(dòng)時(shí)設(shè)定類型（周期的，還是非周期的）、周期參數(shù)、刪除定時(shí)器等。

　　（4）合起來(lái)為設(shè)備驅(qū)動(dòng)用戶提供API的一組例程
　　設(shè)備初始化后，開(kāi)始給設(shè)備驅(qū)動(dòng)添加其他的功能。
以定時(shí)器為例，創(chuàng)建一個(gè)軟件時(shí)鐘，啟動(dòng)時(shí)鐘和管理時(shí)鐘函數(shù)等具體的模塊函數(shù)。這些函數(shù)的集合就可以為設(shè)備驅(qū)動(dòng)應(yīng)用程序提供一個(gè)統(tǒng)一的接口。

　�。�5）中斷服務(wù)例程
　　確定外設(shè)的中斷服務(wù)例程入口地址以及安裝中斷向量。一些重要的后臺(tái)工作要由中斷服務(wù)例程來(lái)完成，合理的設(shè)置中斷可以很好的利用CPU，提高CPU的運(yùn)行效率。MCF5307的中斷是由中斷基址寄存器VBR和各個(gè)外設(shè)控制寄存器共同決定的。

　　3　在MCF5307上實(shí)現(xiàn)軟件時(shí)鐘

　　實(shí)現(xiàn)軟件定時(shí)器的關(guān)鍵就是活動(dòng)時(shí)鐘鏈表的管理，要跟蹤時(shí)鐘狀態(tài)，要記錄時(shí)鐘啟動(dòng)時(shí)刻及其周期或長(zhǎng)度，用鏈表管理時(shí)鐘，把時(shí)鐘的啟動(dòng)時(shí)刻轉(zhuǎn)換為剩余節(jié)拍數(shù)count和鏈表的位置關(guān)系。如圖1所示，當(dāng)一個(gè)軟件時(shí)鐘被啟動(dòng)時(shí)，初始化state，type和length，時(shí)鐘被插入活動(dòng)時(shí)鐘鏈表。在時(shí)鐘鏈表的時(shí)鐘經(jīng)過(guò)排序使得第一個(gè)到期的時(shí)鐘處于表的頂端。每一個(gè)時(shí)鐘有一個(gè)與其相關(guān)的count變量，這個(gè)值代表了所有列表前面的到期時(shí)該時(shí)鐘剩余的時(shí)鐘節(jié)拍數(shù)。在硬件產(chǎn)生的時(shí)鐘節(jié)拍中斷時(shí)——每毫秒一次——都要刷新活動(dòng)時(shí)鐘列表。

　　圖1說(shuō)明了活動(dòng)時(shí)鐘鏈表，每一個(gè)軟件時(shí)鐘都有他的長(zhǎng)度和開(kāi)始時(shí)間，一旦他們被插入列表，就對(duì)應(yīng)count字段和排序。鏈表中可以看出第1個(gè)和第2個(gè)時(shí)鐘同時(shí)啟動(dòng)。由于第2個(gè)比第1個(gè)長(zhǎng)5 ms，因此他晚5個(gè)節(jié)拍到期。而第3個(gè)時(shí)鐘是在第1個(gè)時(shí)鐘的count＝1時(shí)插入的。

　　由于篇幅有限，其他的源程序簡(jiǎn)略。

　　4　測(cè)試程序和運(yùn)行結(jié)果
　　這段程序是在風(fēng)河公司（windriver）diab 4．3g編譯器下編譯，并在SDS調(diào)試器下做調(diào)試運(yùn)行，測(cè)試程

　�。�1］　MicbaelBarr．C／C＋＋嵌入式系統(tǒng)編程［M］．北京：中國(guó)電力出版社，2001．
　�。�2］　Motorola．MCF5307 user guide，2000．        本信息來(lái)源：CAD教育網(wǎng) www.cadedu.com

　　（1）瀑布模式開(kāi)發(fā)過(guò)程

　　瀑布模式開(kāi)發(fā)過(guò)程工作模式簡(jiǎn)單，任務(wù)的劃分協(xié)調(diào)及人員安排、物質(zhì)材料的分配管理都比較容易。開(kāi)發(fā)過(guò)程為從硬件到軟件的流水線式進(jìn)行。此類開(kāi)發(fā)方式有以下特點(diǎn)：

　　◇ 小系統(tǒng)，如利用8051控制的低速率信號(hào)采集等；
　　◇ 開(kāi)發(fā)所需人力、物力資源有限，一般1個(gè)或幾個(gè)人即可完成；
　　◇ 要求開(kāi)發(fā)人員對(duì)軟、硬件設(shè)計(jì)和制作都比較熟悉；
　　◇ 對(duì)開(kāi)發(fā)周期要求不高，此類開(kāi)發(fā)過(guò)程無(wú)疑會(huì)使用最長(zhǎng)的開(kāi)發(fā)周期；
　　◇ 在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，任一環(huán)節(jié)的阻塞都會(huì)影響其它環(huán)節(jié)的開(kāi)發(fā)。

　�。�2）V模式開(kāi)發(fā)過(guò)程

　　V模式開(kāi)發(fā)過(guò)程為一種并行的工作方式，任務(wù)的劃分協(xié)調(diào)及人員安排、物質(zhì)材料的分配都必須考慮不同工作內(nèi)容，

　　開(kāi)發(fā)過(guò)程為硬件和軟件同時(shí)進(jìn)行，最后聯(lián)合調(diào)試。此類開(kāi)發(fā)方式有以下特點(diǎn)：
　　◇ 大系統(tǒng)，如利用PowerPC等處理器設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)交換/訪問(wèn)設(shè)備；
　　◇ 開(kāi)發(fā)人力、物力資源比較豐富；
　　◇ 開(kāi)發(fā)人員分工比較明確，軟件開(kāi)發(fā)者可不需了解太多的硬件信息，而硬件開(kāi)發(fā)人員對(duì)軟件也可不做太多了解；
　　◇ 有利于縮短開(kāi)發(fā)周期；
　　◇ 在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，軟、硬件設(shè)計(jì)獨(dú)立進(jìn)行。 硬件開(kāi)發(fā)的阻塞不會(huì)影響軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程，同樣，軟件開(kāi)發(fā)的阻塞不會(huì)影響硬件的開(kāi)發(fā)過(guò)程。

　　但在V模式開(kāi)發(fā)過(guò)程中，仍存在以下問(wèn)題：

　　◇ 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的可移值性差，與硬件和操作系統(tǒng)均有密切相關(guān)性；
　　◇ 軟件測(cè)試需要等硬件完成以后才能進(jìn)行；
　　◇ 對(duì)于每個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)人員都需有軟件和硬件的知識(shí)背景；
　　◇ 在測(cè)試過(guò)程中，很難判斷錯(cuò)誤是由硬件還是由軟件造成的。

　　為了克服V模式開(kāi)發(fā)過(guò)程中的上述問(wèn)題，本文將V模式開(kāi)發(fā)過(guò)程稍作改進(jìn)，增加了硬件抽象層，對(duì)系統(tǒng)軟硬件起到隔離作用，從而提高系統(tǒng)軟件的可移值性及有效地利用人力資源、縮短開(kāi)發(fā)周期和提高產(chǎn)品的可靠性。

　　2 基于硬件抽象層的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)特性

　�。�1）包含硬件抽象層的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　硬件抽象層完全把系統(tǒng)軟件和硬件部分隔離開(kāi)來(lái)，這樣就使得系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與硬件設(shè)備無(wú)關(guān)，從而大大提高了系統(tǒng)的可移植性。從軟硬件測(cè)試角度來(lái)看，軟硬件的測(cè)試工作都可分別基于硬件抽象層來(lái)完成，使得軟硬件的測(cè)試工作的并行進(jìn)行成為可能。在抽象層的定義方面，需要規(guī)定統(tǒng)一的軟硬件接口標(biāo)準(zhǔn)，其設(shè)計(jì)工作需要基于系統(tǒng)需求來(lái)做，代碼工作可由對(duì)硬件比較熟悉的人員來(lái)完成。抽象層一般應(yīng)包含相關(guān)硬件的初始化、數(shù)據(jù)的輸入/輸出操作、硬件設(shè)備的配置操作等功能。

　�。�2）包含硬件抽象層的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程

　　在系統(tǒng)需求分析并定義了軟硬件各自的設(shè)計(jì)要求以后，就需要花費(fèi)一定的時(shí)間來(lái)定義硬件抽象層的接口，以確保硬件設(shè)計(jì)和測(cè)試與軟件設(shè)計(jì)和測(cè)試工作能夠在相同的接口上進(jìn)行，從而有利于最終的軟硬件集成測(cè)試。

　　在基于硬件抽象層的V模式開(kāi)發(fā)過(guò)程，軟硬件的設(shè)計(jì)和調(diào)試具有無(wú)關(guān)性，并可完全地并行進(jìn)行。硬件的錯(cuò)誤不會(huì)影響到系統(tǒng)軟件的調(diào)試，同樣軟件設(shè)計(jì)的錯(cuò)誤也不會(huì)影響硬件的調(diào)試工作，這樣就可大大縮短系統(tǒng)的測(cè)試周期和提高系統(tǒng)的可靠性。

　�。�3）硬件抽象層的特點(diǎn)

　　硬件抽象層接口的定義和代碼設(shè)計(jì)應(yīng)具有以下特點(diǎn)：
　　◇ 硬件抽象層具有與硬件密切相關(guān)性；
　　◇ 硬件抽象層具有與操作系統(tǒng)無(wú)關(guān)性；
　　◇ 接口定義的功能應(yīng)包含硬件或系統(tǒng)所需硬件支持的所有功能；
　　◇ 接口定義簡(jiǎn)單明了，太多接口函數(shù)會(huì)增加軟件模擬的復(fù)雜性；
　　◇ 具有可測(cè)性的接口設(shè)計(jì)有利于系統(tǒng)的軟硬件測(cè)試和集成。

　　3 硬件抽象層的設(shè)計(jì)示例

　　硬件抽象層接口的設(shè)計(jì)一般應(yīng)包含以下幾個(gè)步：
　　◇ 分析接口的數(shù)據(jù)傳輸特性（雙向/單向數(shù)據(jù)傳輸，字節(jié)型/數(shù)據(jù)幀型傳輸模式）；
　　◇ 分析接口配置屬性；
　　◇ 定義接口所需的相關(guān)函數(shù)。

　　下面給出以字符為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腢ART接口硬件抽象層的接口定義內(nèi)容：

　　◇ 設(shè)備初始化函數(shù)
　　BOOL InitDevice（Device_Register *regs, Device_Attribute *attr）
　�、� 第一個(gè)參數(shù)為指向設(shè)備寄存器結(jié)構(gòu)的指針，用來(lái)索引設(shè)備的相關(guān)寄存器。
　�、� 第二個(gè)參數(shù)為一個(gè)設(shè)備屬性的結(jié)構(gòu)，用于描述設(shè)備初始化設(shè)置的屬性（波特率、校驗(yàn)位等等）。
　　③ 函數(shù)返回一個(gè)布爾類型，用于描述初始化過(guò)程的正確性。
　　◇ 設(shè)備字符輸入
　　BOOL ReadDevice（Device_Register *regs, unsigned char *c）
　�、� 第一個(gè)參數(shù)為指向設(shè)備寄存器結(jié)構(gòu)的指針，用來(lái)索引設(shè)備的相關(guān)寄存器。
　　② 第二個(gè)參數(shù)為指向字符的地址空間，用于保存設(shè)備輸入的字符。
　�、� 函數(shù)返回一個(gè)布爾類型，用于描述設(shè)備字符輸入的正確性。
　　◇ 設(shè)備字符輸出
　　BOOL WriteDevice（Device_Register *regs, unsigned char c）
　�、� 第一個(gè)參數(shù)為指向設(shè)備寄存器結(jié)構(gòu)的指針，用來(lái)索引設(shè)備的相關(guān)寄存器。
　�、� 第二個(gè)參數(shù)為設(shè)備所要輸出的字符。
　�、� 函數(shù)返回一個(gè)布爾類型，用于描述設(shè)備字符輸出的正確性。
　　◇ 設(shè)備屬性設(shè)置
　　BOOL SetDevice（Device_Register *regs, Device_Attribute *attr）
　　① 第一個(gè)參數(shù)為指向設(shè)備寄存器結(jié)構(gòu)的指針，用來(lái)索引設(shè)備的相關(guān)寄存器。
　　② 第二個(gè)參數(shù)為一個(gè)設(shè)備屬性的結(jié)構(gòu)，用于描述設(shè)備初始化設(shè)置的屬性（波特率、校驗(yàn)位等等）。
　�、� 函數(shù)返回一個(gè)布爾類型，用于描述設(shè)備屬性設(shè)置的正確性。

　　4 結(jié) 論

　　以上所述的是作者在多年嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中所總結(jié)出的開(kāi)發(fā)流程，并在實(shí)踐應(yīng)用中起到了很好的效果。相信在一個(gè)較為復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，很好地利用上述開(kāi)發(fā)流程，將會(huì)有利于提高系統(tǒng)的可移植性、減少產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和測(cè)試周期，并能很好地保證產(chǎn)品的可靠性。

       這些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的矛頭都指向基本工程方法的失敗。在傳統(tǒng)的開(kāi)發(fā)步驟中，硬件設(shè)計(jì)要超前軟件開(kāi)發(fā)，而嵌入式系統(tǒng)中軟件正日益占據(jù)關(guān)鍵地位。因而，傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)步驟在嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中遭遇失敗并不讓人意外。何況一個(gè)產(chǎn)品的上市時(shí)間也越來(lái)越短(后文舉出的手機(jī)開(kāi)發(fā)的例子總開(kāi)發(fā)時(shí)間還不到一年)，這又給嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)雪上加霜。很明顯，嵌入式設(shè)計(jì)的方法和工具需要進(jìn)行一次革命。

       也就是說(shuō)，系統(tǒng)架構(gòu)、硬件實(shí)現(xiàn)和軟件實(shí)現(xiàn)各階段之間的關(guān)系需要調(diào)整，而這種需求恰好正是目前的電子系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)(ESL)中最受關(guān)注的問(wèn)題。然而，現(xiàn)有的大多數(shù)基于ESL的方法都只能提供部分解決方案。我們需要的是一套全新的設(shè)計(jì)模式，一套能夠?qū)θ到y(tǒng)建模的方法，以促進(jìn)系統(tǒng)架構(gòu)研究并實(shí)現(xiàn)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)，以允許設(shè)計(jì)人員從原始設(shè)計(jì)不斷改進(jìn)，直到最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)。

       至今為止，大多數(shù)將SoC系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)自動(dòng)化為RTL實(shí)現(xiàn)的嘗試都存在設(shè)計(jì)精確度和設(shè)計(jì)生產(chǎn)力不足的缺陷。早期那些力圖將C、C++和SystemC自動(dòng)化為硬件建模語(yǔ)言(能將順序軟件語(yǔ)義翻譯為基于狀態(tài)機(jī)的并行硬件語(yǔ)言) 的工具，不但要求開(kāi)發(fā)人員創(chuàng)建并維護(hù)功能事務(wù)級(jí)模型的多個(gè)“視角”，而且要添加定時(shí)還需要更多的“視角”。維護(hù)這些“多視角”本身就有問(wèn)題，而這些視角之間在時(shí)序和功能方面的不一致還會(huì)導(dǎo)致驗(yàn)證錯(cuò)誤。此外，最終將其轉(zhuǎn)為RTL的過(guò)程主要仍是一個(gè)手工操作的過(guò)程。

       要使SoC設(shè)計(jì)走出困境，很重要的一點(diǎn)就是讓設(shè)計(jì)師們能夠采用一種在系統(tǒng)架構(gòu)階段設(shè)計(jì)的定時(shí)精確的高性能系統(tǒng)級(jí)模型，然后隨著開(kāi)發(fā)人員從架構(gòu)階段進(jìn)入軟硬件協(xié)同開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證階段，改進(jìn)而不是丟棄這個(gè)模型。盡管暫時(shí)還沒(méi)有一種全自動(dòng)化的工具鏈能夠?qū)崿F(xiàn)從系統(tǒng)架構(gòu)到RTL實(shí)現(xiàn)這一系列完整的設(shè)計(jì)任務(wù)，但一些嵌入式設(shè)計(jì)方案供應(yīng)商已經(jīng)開(kāi)始了成功的嘗試，其中一種很有前途的技術(shù)就是虛擬系統(tǒng)原型技術(shù)。

        圖1：每個(gè)公司一年里啟動(dòng)的項(xiàng)目提前完成，推遲完成，按時(shí)完成和取消所占的百分比(平均每個(gè)公司啟動(dòng)項(xiàng)目所占百分比)。

       虛擬系統(tǒng)原型(VSP)是一種基于軟件仿真的電子系統(tǒng)模型，其中可以包含一個(gè)或多個(gè)處理器、總線、硬件外設(shè)，甚至可以包含作為整個(gè)系統(tǒng)一部分的機(jī)械或模擬子系統(tǒng)模型。但最重要的是，VSP運(yùn)行的是與真實(shí)硬件相同的經(jīng)過(guò)編譯和鏈接的目標(biāo)代碼，因而能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)系統(tǒng)在實(shí)際情況下的表現(xiàn)。此外，VSP還是一種周期精確(cycle-accurate)的模型，因此，被設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以根據(jù)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求建模。

       一旦模型建立，硬件和軟件開(kāi)發(fā)就可以同時(shí)啟動(dòng)，這樣一來(lái)，既減少了開(kāi)發(fā)所用的總資源，也縮短了開(kāi)發(fā)周期。

       傳統(tǒng)的“丟棄式”系統(tǒng)級(jí)模型在硬件和軟件實(shí)現(xiàn)階段就過(guò)時(shí)了，而VSP仍可繼續(xù)用于硬件驗(yàn)證。由于這一優(yōu)秀的模型是周期精確(cycle-accurate)的，因而RTL實(shí)現(xiàn)可以在任何時(shí)候換入 (swap in) 。而且，在RTL模型換入后， 為了進(jìn)行性能分析或者更快地運(yùn)行更大的軟件實(shí)體，還可以用原來(lái)的高級(jí)VSP模型將RTL模型換出。系統(tǒng)級(jí)測(cè)試范例是作為可執(zhí)行系統(tǒng)規(guī)范的一部分生成的，然后，隨著軟硬件開(kāi)發(fā)過(guò)程的進(jìn)展，再由上至下地生成結(jié)構(gòu)、模塊和單元測(cè)試。

       最后一點(diǎn)，VSP的升級(jí)和分發(fā)也很容易。對(duì)那些在地域上分布較零散的開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)而言，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送軟件模型也比運(yùn)送電路板更簡(jiǎn)單。這樣一來(lái)，工程師只有在最后的集成階段才需要真實(shí)的硬件和芯片。而且，由于軟硬件開(kāi)發(fā)采用的是同一個(gè)虛擬系統(tǒng)原型，因此集成起來(lái)也更快和更容易。

       虛擬系統(tǒng)原型在無(wú)線設(shè)計(jì)中的應(yīng)用舉例

       在單芯片系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)中，無(wú)線系統(tǒng)設(shè)計(jì)是最復(fù)雜也是競(jìng)爭(zhēng)最激烈的領(lǐng)域。越來(lái)越多領(lǐng)先的無(wú)線設(shè)計(jì)公司開(kāi)始利用虛擬系統(tǒng)原型技術(shù)提高設(shè)計(jì)生產(chǎn)力、縮短上市時(shí)間，并降低風(fēng)險(xiǎn)。以下介紹的無(wú)線設(shè)計(jì)在一塊芯片中容納了兩個(gè)處理器內(nèi)核、一個(gè)DSP、多級(jí)存儲(chǔ)器、6種復(fù)雜的多層總線結(jié)構(gòu)、一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、超過(guò)30個(gè)外設(shè)，外加超過(guò)兩百萬(wàn)行代碼。這款手機(jī)的SoC具備GSM控制功能、多媒體功能、二維和三維圖形處理功能、相機(jī)接口，以及一系列諸如WiFi和USB之類的其他接口。

圖2：利用VSP技術(shù)，軟件開(kāi)發(fā)可以在硬件就緒前9個(gè)月甚至更早開(kāi)始。

       以前的項(xiàng)目結(jié)束后，這個(gè)設(shè)計(jì)小組決定必須改變傳統(tǒng)的“先硬件后軟件”的設(shè)計(jì)方法才能滿足日益縮短的上市時(shí)間需求。

       采用VSP的結(jié)果

       他們選擇了VaST Systems提供的虛擬系統(tǒng)原型方案，這不但是一個(gè)高性能的方案，而且絲毫無(wú)損設(shè)計(jì)精度。從系統(tǒng)架構(gòu)階段直到軟硬件協(xié)同開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證階段都可以采用同一個(gè)VaST處理器模型(虛擬系統(tǒng)原型的核心)。

       根據(jù)配置的不同，VaST處理器模型在仿真單處理器時(shí)，在保持原有的周期、寄存器和定時(shí)精度的同時(shí)，速度在50到200MIPS之間；在仿真帶分層存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)和多級(jí)總線的多內(nèi)核系統(tǒng)時(shí)，在保持周期精度的同時(shí)速度可達(dá)10到100MIPS。

       首先，系統(tǒng)架構(gòu)師利用VSP進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)研究和分析。VSP能夠運(yùn)行基于應(yīng)用的軟件，因此設(shè)計(jì)師可以據(jù)此考慮緩存的大小、處理器的處理能力等性能問(wèn)題，同時(shí)還可以檢查出系統(tǒng)中潛在的資源共享、同步和總線帶寬問(wèn)題。此外，利用VSP，設(shè)計(jì)小組還可以在真實(shí)系統(tǒng)的環(huán)境下檢查第三方IP。

       有了VSP，軟件開(kāi)發(fā)人員可以提前幾個(gè)月開(kāi)始編寫(xiě)系統(tǒng)中的關(guān)鍵函數(shù)(例如系統(tǒng)初始化程序、硬件抽象層、RTOS/OS及其相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、中間件軟件，甚至是嵌入式應(yīng)用的代碼)，然后再進(jìn)入傳統(tǒng)的硬件、軟件開(kāi)發(fā)流程。

圖3：傳統(tǒng)的手機(jī)設(shè)計(jì)流程和利用虛擬系統(tǒng)原型的手機(jī)設(shè)計(jì)流程的比較

        在使用VSP之后，這家公司發(fā)現(xiàn)他們的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)得到了很大提升，于是決定繼續(xù)將VSP技術(shù)作為其首選設(shè)計(jì)方法。

        本文小結(jié)

        嵌入式系統(tǒng)不論從絕對(duì)數(shù)量還是從復(fù)雜度來(lái)說(shuō)都在飛速地發(fā)展，而且在嵌入式系統(tǒng)中，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)的功能越來(lái)越多。

        傳統(tǒng)的先硬件后軟件的設(shè)計(jì)方法對(duì)這種復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)已不再適用。因?yàn)椴坏珡馁|(zhì)量還是從生產(chǎn)力的角度說(shuō)，軟件和硬件都必須同時(shí)開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證。

        人們?cè)缙谒鞯挠密浖䜩?lái)建模硬件系統(tǒng)的嘗試存在很多問(wèn)題，包括要求設(shè)計(jì)師創(chuàng)建并維護(hù)模型的多個(gè)“角度”。要解決這些問(wèn)題，硬件系統(tǒng)的軟件模型必需同時(shí)具備快速和準(zhǔn)確兩個(gè)特點(diǎn)。具備了這兩個(gè)特點(diǎn)的模型就有可能既適用于系統(tǒng)架構(gòu)階段，又能成為出色的軟硬件協(xié)同開(kāi)發(fā)參考模型。

        VaST Systems提供的技術(shù)和方法能夠在不損失速度和精度的前提下提供快速準(zhǔn)確的虛擬處理器模型(嵌入式系統(tǒng)的核心)。已經(jīng)有設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)采用了我們的系統(tǒng)原型，根據(jù)配置的不同，該模型在單處理器內(nèi)核系統(tǒng)中的仿真速度可達(dá)50到 200 MIPS，在帶分層存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)和多級(jí)總線的多內(nèi)核系統(tǒng)中可達(dá)10到 100 MIPS。

      一家領(lǐng)先的手機(jī)嵌入式系統(tǒng)供應(yīng)商采用了虛擬系統(tǒng)原型 技術(shù)，并在硬件就緒之前9個(gè)月就開(kāi)始了軟件開(kāi)發(fā)。用他們的話說(shuō)，采用虛擬系統(tǒng)原型 技術(shù)可謂“用更少的成本和更短的開(kāi)發(fā)時(shí)間設(shè)計(jì)出更好的產(chǎn)品”。

　　然而，作為一種便攜式和移動(dòng)性的終端，完全依靠電池來(lái)供電，隨著智能手機(jī)的功能越來(lái)越強(qiáng)大，其功率損耗也越來(lái)越大。因此，必須提高智能手機(jī)的使用時(shí)間和待機(jī)時(shí)間。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，有兩種解決方案：一種是配備更大容量的手機(jī)電池；另一種是改進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用先進(jìn)技術(shù)，降低手機(jī)的功率損耗。

　　現(xiàn)階段，手機(jī)配備的電池以鋰離子電池為主，雖然鋰離子電池的能量密度比以往提升了近30％，但是仍不能滿足智能手機(jī)發(fā)展需求。就目前使用的鋰離子電池材料而言，能量密度只有20％左右的提升空間。而另一種被業(yè)界普遍看做是未來(lái)手機(jī)電池發(fā)展趨勢(shì)的燃料電池，能使智能手機(jī)的通話時(shí)間超過(guò)13 h，待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)1個(gè)月，但是這種電池技術(shù)仍不成熟，離商用還有一段時(shí)間[1]。增大手機(jī)電池容量總的趨勢(shì)上將會(huì)增加整機(jī)的成本。

　　因此，從智能手機(jī)的總體設(shè)計(jì)入手，應(yīng)用先進(jìn)的技術(shù)和器件，進(jìn)行降低功率損耗的方案設(shè)計(jì)，從而盡可能延長(zhǎng)智能手機(jī)的使用時(shí)間和待機(jī)時(shí)間。事實(shí)上，低功耗設(shè)計(jì)已經(jīng)成為智能手機(jī)設(shè)計(jì)中一個(gè)越來(lái)越迫切的問(wèn)題。

        1 智能手機(jī)的硬件系統(tǒng)架構(gòu)

　　本文討論的智能手機(jī)的硬件體系結(jié)構(gòu)是使用雙cpu架構(gòu)，如圖1所示。

        主處理器運(yùn)行開(kāi)放式操作系統(tǒng)，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制。從處理器為無(wú)線modem部分的dbb(數(shù)字基帶芯片)，主要完成語(yǔ)音信號(hào)的a／d轉(zhuǎn)換、d／a轉(zhuǎn)換、數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)的編解碼、信道編解碼和無(wú)線modem部分的時(shí)序控制。主從處理器之間通過(guò)串口進(jìn)行通信。主處理器采用xxx公司的cpu芯片，它采用cmos工藝，擁有arm926ej-s內(nèi)核，采用arm公司的amba(先進(jìn)的微控制器總線體系結(jié)構(gòu))，內(nèi)部含有16 kb的指令cache、16 kb的數(shù)據(jù)cache和mmu(存儲(chǔ)器管理單元)。為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的視頻會(huì)議功能，攜帶了一個(gè)優(yōu)化的mpeg4硬件編解碼器。能對(duì)大運(yùn)算量的mpeg4編解碼和語(yǔ)音壓縮解壓縮進(jìn)行硬件處理，從而能緩解arm內(nèi)核的運(yùn)算壓力。主處理器上含有l(wèi)cd(液晶顯示器)控制器、攝像機(jī)控制器、sdram和srom控制器、很多通用的gpio口、sd卡接口等。這些使它能很出色地應(yīng)用于智能手機(jī)的設(shè)計(jì)中。

　　在智能手機(jī)的硬件架構(gòu)中，無(wú)線modem部分只要再加一定的外圍電路，如音頻芯片、lcd、攝像機(jī)控制器、傳聲器、揚(yáng)聲器、功率放大器、天線等，就是一個(gè)完整的普通手機(jī)(傳統(tǒng)手機(jī))的硬件電路。模擬基帶(abb)語(yǔ)音信號(hào)引腳和音頻編解碼器芯片進(jìn)行通信，構(gòu)成通話過(guò)程中的語(yǔ)音通道。

　　從這個(gè)硬件電路的系統(tǒng)架構(gòu)可以看出，功耗最大的部分包括主處理器、無(wú)線modem、lcd和鍵盤(pán)的背光燈、音頻編解碼器和功率放大器。因此，在設(shè)計(jì)中，如何降低它們的功耗，是一個(gè)很重要的問(wèn)題。

　　2 低功耗設(shè)計(jì)

2.1 降低cpu部分的供電電壓和頻率

　　在數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)中，cmos電路的靜態(tài)功耗很低，與其動(dòng)態(tài)功耗相比基本可以忽略不計(jì)，故暫不考慮。其動(dòng)態(tài)功耗計(jì)算公式為：

pd="ctv2f"　　　　(1)

　　式中：pd為cmos芯片的動(dòng)態(tài)功耗；ct為cmos芯片的負(fù)載電容；v為cmos芯片的工作電壓；f為cmos芯片的工作頻率。

　　由式(1)可知，cmos電路中的功率消耗與電路的開(kāi)關(guān)頻率呈線性關(guān)系，與供電電壓呈二次平方關(guān)系。對(duì)于cpu來(lái)說(shuō)，vcore電壓越高，時(shí)鐘頻率越快，則功率消耗越大，所以，在能夠正常滿足系統(tǒng)性能的前提下，盡可能選擇低電壓工作的cpu。對(duì)于已經(jīng)選定的cpu來(lái)說(shuō)，降低供電電壓和工作頻率，能夠在總體功耗上取得較好的效果。

　　對(duì)于主cpu來(lái)說(shuō)，內(nèi)核供電電壓為1.3 v，已經(jīng)很小，而且其全速運(yùn)行時(shí)的主頻可以完全根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置，其內(nèi)部所需的其他各種頻率都是通過(guò)主頻分頻產(chǎn)生。主cpu主頻fcpu計(jì)算公式如下：

　　在coms芯片上，為了防止靜電造成損壞，不用的引腳不能懸空，一般接下拉電阻來(lái)降低輸入阻抗，提供泄荷通路。需要加上拉電阻來(lái)提高輸出電平，從而提高芯片輸入信號(hào)的噪聲容限來(lái)增強(qiáng)抗干擾能力。但是在選擇上拉電阻時(shí)，
必須要考慮以下幾點(diǎn)：

　　a)從節(jié)約功耗及芯片的倒灌電流能力上考慮，上拉電阻應(yīng)足夠大，以減小電流；

　　b)從確保足夠的驅(qū)動(dòng)電流考慮，上拉電阻應(yīng)足夠小，以增大電流；

　　c)在高速電路中，過(guò)大的上拉電阻會(huì)使信號(hào)邊沿變得平緩，信號(hào)完整性會(huì)變差。

　　因此，在考慮能夠正常驅(qū)動(dòng)后級(jí)的情況下(即考慮芯片的vih或vil)，盡可能選取更大的阻值，以節(jié)省系統(tǒng)的功耗。對(duì)于下拉電阻，情況類似。

　　2.3.2 對(duì)懸空引腳的處理

　　對(duì)于系統(tǒng)中cmos器件的懸空引腳，必須給予重視。因?yàn)閏mos懸空的輸入端的輸入阻抗極高，很可能感應(yīng)一些電荷導(dǎo)致器件被高壓擊穿，而且還會(huì)導(dǎo)致輸入端信號(hào)電平隨機(jī)變化，導(dǎo)致cpu在休眠時(shí)不斷地被喚醒，從而無(wú)法進(jìn)入睡眠狀態(tài)或其他莫名其妙的故障。所以正確的方法是，根據(jù)引腳的初始狀態(tài)，將未使用的輸入端接到相應(yīng)的供電電壓來(lái)保持高電平，或通過(guò)接地來(lái)保持低電平。

　　2.3.3 緩沖器的選擇

　　緩沖器有很多功能，如電平轉(zhuǎn)換、增加驅(qū)動(dòng)能力、數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蚩刂频�，�?dāng)僅僅基于驅(qū)動(dòng)能力的考慮增加緩沖器時(shí)，必須慎重考慮，因驅(qū)動(dòng)電流過(guò)大會(huì)導(dǎo)致更多的能量被浪費(fèi)掉。所以應(yīng)仔細(xì)檢查芯片的最大輸出電流ioh和iol是否足夠驅(qū)動(dòng)下級(jí)芯片，當(dāng)可以通過(guò)選取合適的前后級(jí)芯片時(shí)應(yīng)盡量避免使用緩沖器。

　　2.4 電源供給電路

　　由于使用雙cpu架構(gòu)，外設(shè)很多，需要很多種電源。僅以主cpu來(lái)說(shuō)，就需要1.3v、2.4v和2.8v電壓，因此需要很多電壓變化單元。通常，有以下幾種電壓變換方式：線性調(diào)節(jié)器；dc／dc；LDO(低漏失調(diào)節(jié)器)。其中l(wèi)do本質(zhì)上是一種線性穩(wěn)壓器，主要用于壓差較小的場(chǎng)合，所以將其合并為線性穩(wěn)壓器。

　　線性穩(wěn)壓器的特點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所需元件數(shù)量少，輸入和輸出壓差可以很大，但其致命弱點(diǎn)是效率低、功耗高，其效率η完全取決于輸出電壓大小。

　　嵌入式系統(tǒng)結(jié)合微處理器或微控制器的系統(tǒng)電路與其專屬軟件，達(dá)到系統(tǒng)操作效率的最高比。這里把嵌入式系統(tǒng)定義為一個(gè)體積較小的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(與PC機(jī)相比)，由于其體積較小，因此軟硬件結(jié)構(gòu)和應(yīng)用范圍與PC機(jī)相比有較大的不同。其特性可歸納為下列四項(xiàng)：

　　(1)通常執(zhí)行特定功能；

　　(2)以微電腦與外圍構(gòu)成核心；

　　(3)嚴(yán)格的時(shí)序與穩(wěn)定性要求；

　　(4)全自動(dòng)操作循環(huán)。

　　嵌入式系統(tǒng)具有目的性或針對(duì)性，其開(kāi)發(fā)是圍繞著產(chǎn)品和產(chǎn)品的特定功能來(lái)進(jìn)行的。它必須最大限度地在硬件和軟件上“量身定做”以提高效率。本文設(shè)計(jì)的嵌入式系統(tǒng)主要用于金融和稅務(wù)類產(chǎn)品。

　　2 總體設(shè)計(jì)

　　2.1 CPU的選擇

　　本文采用的是Cirrus Logic公司的嵌入式處理器EP9312。

　　EP9312是一款A(yù)RM9系列的處理器，ARM9系列是高性能和低功耗特性方面最佳的硬宏單元。它具有五級(jí)流水線，并提供1.1 MI/s/MHz的哈佛結(jié)構(gòu)。而其前代產(chǎn)品ARM7系列處理器則具有嵌入式ICE-RT邏輯，功耗非常低，并提供0.9MI/s/MHz的三級(jí)流水線和馮·諾依曼結(jié)構(gòu)。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)主要用于開(kāi)發(fā)先進(jìn)的計(jì)算機(jī)終端、機(jī)頂盒、高端打印機(jī)等產(chǎn)品，所以需要較快的運(yùn)算速度，而ARM7主要用于對(duì)價(jià)位和功耗敏感的消費(fèi)類產(chǎn)品，并且其運(yùn)算速度相對(duì)較慢，所以本設(shè)計(jì)系統(tǒng)選擇ARM9系列。在ARM9系列CPU中還有EP9307和EP9315。EP9307與EP9312的功能構(gòu)造基本相同，只少了1個(gè)IDE接口，但多了圖形加速的功能。由于金融稅務(wù)類產(chǎn)品大多需要較多的GPIO，而與EP9307相比，EP9312可以很容易地設(shè)計(jì)出較多的GPIO。EP9315在EP9312擁有的功能上再增加了PCMCIA接口和圖形加速功能，但這并不是金融稅務(wù)類產(chǎn)品所必需的功能。綜合考慮之后，本系統(tǒng)選擇了EP9312。

　　2.2 技術(shù)指標(biāo)

　　經(jīng)過(guò)系統(tǒng)調(diào)研并基于產(chǎn)品成本考慮，嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)如下所述：

• Cirrus Logic公司的EP9312作為主處理器；
• 32MB Flash使用NOR Flash；
• 64 MB SDRAM；
• 顯示格式：西文：24x12點(diǎn)陣，中文：24x24點(diǎn)陣，26行，80列。或者西文：16x8點(diǎn)陣，中文：16x16點(diǎn)陣，26行，80列；
• 800x600x16bpp、1024x768x16bpp多種TFT顯示模式，支持單掃描或雙掃描；
• 1個(gè)并口；
• 5個(gè)串口；
• 2個(gè)PS/2端口；
• 1個(gè)1/10/100 Mb/s的以太網(wǎng)接口。支持TCP/IP協(xié)議；
• 1個(gè)USB Host和1個(gè)USB Slave接口。

　　2.3 系統(tǒng)組成

　　EP9312已經(jīng)集成了嵌入式系統(tǒng)所需的許多功能，為了使本設(shè)計(jì)滿足金融稅務(wù)類產(chǎn)品的要求，還增加了如下硬件：SuperI/0器件(包含2個(gè)UART、1個(gè)并口、2個(gè)PS/2接口控制器)、網(wǎng)絡(luò)PHY接口器件、接口電平轉(zhuǎn)換器、Flash、SDRAM等。PCB板采用4層板，表層為信號(hào)層，其中的電源線路層和地線層深埋在主板的內(nèi)層，不易受到電源雜波的干擾，尤其是高頻電路，可以獲得較好的抗干擾能力。系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖l所示。

　　3 模塊功能描述

　　3.1 CPU

　　EP9312的內(nèi)核是ARM920T，其主頻為200MHz，100 MHz內(nèi)部總線。有16 KB的指令Cache和16 KB的數(shù)據(jù)Cache，內(nèi)部集成了很多功能模塊，其中主要包括：LCD控制器、3個(gè)USB Host控制器、3個(gè)串口控制器、Ethernet MAC、EIDE、AC’97接口等。EP9312內(nèi)含MMU，支持TCP/IP協(xié)議，也為開(kāi)發(fā)各種字符圖形功能提供了快捷的方法。本設(shè)計(jì)充分利用了這些內(nèi)部集成的功能，減少了外圍元件。

　　3.2 RESET模塊

　　系統(tǒng)的RESET模塊為系統(tǒng)提供啟動(dòng)及復(fù)位信號(hào)，是系統(tǒng)運(yùn)行的開(kāi)端。

　　本系統(tǒng)采用MAX708CSA作為復(fù)位器件，設(shè)計(jì)成用戶重啟的按鈕控制。發(fā)出RESET信號(hào)送給CPU的RSTOn引腳、Flash模塊、JATG模塊等。另采用一片MAX708CSA作為系統(tǒng)上電的按鈕控制。發(fā)出POR信號(hào)送給CPU的PRSTn引腳，如圖2所示。

　　3.3 系統(tǒng)時(shí)鐘模塊

　　系統(tǒng)時(shí)鐘模塊的作用是產(chǎn)生20個(gè)獨(dú)立的時(shí)鐘頻率來(lái)滿足EP9312不同獨(dú)立邏輯部分的要求，所有這些時(shí)鐘頻率都來(lái)源于外部的一個(gè)低頻晶體振蕩器。這樣處理器速率、總線速率、視頻速率就可以不同而且互不影響。

　　EP9312提供兩個(gè)接口接外部晶體振蕩器，其頻率分別為32 kHz(實(shí)時(shí)時(shí)鐘)和14.7456 MHz。

　　為了獲得足夠高的時(shí)鐘頻率，EP9312同時(shí)提供兩個(gè)PLL，將32 kHz和14.7456MHz頻率提升到足夠高(14.7456 MHz，最大頻率可為400 MHz)。 <!-- 2008-3-1 12:52:37-->

　　這部分軟件是網(wǎng)絡(luò)硬件防火墻實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，它主要完成四個(gè)方面的工作，即對(duì)網(wǎng)絡(luò)封包的過(guò)濾，日志的記錄并發(fā)送，對(duì)用戶的報(bào)警以及跟PC機(jī)的接口。在本系統(tǒng)中我們采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)UCOS，配合自己編寫(xiě)的TCP/IP協(xié)議棧來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)網(wǎng)絡(luò)層次封包的過(guò)濾。

　　3．1．1   UC/OSII在ARM7下的移植

　　UCOSII是一個(gè)完整、可移植、可固化及可剪裁的占先式實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核。它用ANSI C編寫(xiě)，包含一小部分匯編代碼，使之可以供不同架構(gòu)的微處理器使用。移植該實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)底層軟件的第一步。移植操作系統(tǒng)其實(shí)是一件不簡(jiǎn)單的事情，它必須要求開(kāi)發(fā)人員對(duì)目標(biāo)硬件平臺(tái)有很深的了解；對(duì)UCOS的原理有相當(dāng)?shù)牧私�；�?duì)所使用的編譯器有較深入的了解。只有具備以上三點(diǎn)，才能成功移植該實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。要移植UCOS，只要編寫(xiě)三個(gè)文件即可，它們分別是：OS_CPU.H，OS_CPU_C.C，OS_CPU_A.ASM。下面就簡(jiǎn)單介紹該移植的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

　　第一個(gè)是編寫(xiě)OS_CPU.H。在該文件中主要完成以下幾個(gè)方面的工作。首先是幾個(gè)數(shù)據(jù)類型的定義，如INT8U、INT16U、INT16S等，之所以這樣做是因?yàn)锳NSI C中并沒(méi)有明確定義short、int等數(shù)據(jù)類型的實(shí)際長(zhǎng)度，它與處理器的類型有關(guān)，隱含著不可移植性。代之以移植性強(qiáng)的INT8U、INT16U等數(shù)據(jù)類型，即直觀又可移植。其次就是完成兩個(gè)中斷處理宏的定義，一個(gè)是關(guān)中斷宏OS_ENTER_CRITICAL( )，另一個(gè)就是開(kāi)中斷宏OS_EXIT_CRITICAL( )。考慮到不是所有版本的C語(yǔ)言都支持C語(yǔ)言級(jí)的開(kāi)關(guān)中斷，所以編寫(xiě)此宏來(lái)實(shí)現(xiàn)C語(yǔ)言級(jí)的開(kāi)關(guān)中斷。最后就是定義棧生長(zhǎng)方向和棧的寬度，它們分別用變量OS_STK_GROWTH和OS_STK。

　　第二個(gè)是編寫(xiě)OS_CPU_C.C。在該文件中主要完成函數(shù)OSTaskStkInit( )的編寫(xiě)，該函數(shù)主要完成任務(wù)堆棧的的初始化工作，如初始化各個(gè)寄存器的狀態(tài)，以及用戶添加的一些任務(wù)變量等。

　　第三個(gè)是編寫(xiě)OS_CPU_A.ASM。該文件的是移植的關(guān)鍵所在，在本文件中必須完成四個(gè)函數(shù)的編寫(xiě)工作，它們分別為OSIntCtxSw( )，OSCtxSw( )， OSStartHighRdy( )和OSTickISR( )。其中前兩個(gè)函數(shù)是重中之重，它們必須用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，主要完成任務(wù)環(huán)境的切換工作。

　　在ARM7硬件平臺(tái)下移植UCOSII要注意幾個(gè)問(wèn)題，首先是在移植系統(tǒng)函數(shù)或者系統(tǒng)宏時(shí)要盡量的調(diào)用軟件中斷，這樣有助于簡(jiǎn)化移植工作；其次在初始化任務(wù)堆棧時(shí)，可以添加任務(wù)變量OSEnterSum這個(gè)變量來(lái)監(jiān)視中斷開(kāi)關(guān)次數(shù)，這是關(guān)于移植的一個(gè)技巧；最后要注意為了方便編寫(xiě)中斷服務(wù)程序，在移植時(shí)還要提供相應(yīng)的匯編宏來(lái)簡(jiǎn)化用戶層代碼的編寫(xiě)。

　　3．1．2 TCP/IP協(xié)議棧在UCOSII下的實(shí)現(xiàn)

　　TCP/IP協(xié)議分為四層，分別為應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層，物理層。本系統(tǒng)中物理層主要包括8019的驅(qū)動(dòng)程序，網(wǎng)絡(luò)層包括IP協(xié)議和ARP協(xié)議，傳輸層主要包括TCP協(xié)議和UDP協(xié)議，應(yīng)用層主要包括FTP、HTTP、SNMP和一些用戶應(yīng)用程序。由于該協(xié)議實(shí)現(xiàn)很復(fù)雜，這也是本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)，下面給出該協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)的函數(shù)框圖：<!--工控自動(dòng)化，autooo.net-->

1 引言

伴隨著21世紀(jì)的曙光，計(jì)算機(jī)邁入了其另一個(gè)充滿機(jī)遇的階段—后PC時(shí)代。不知不覺(jué)中，市場(chǎng)上越來(lái)越多的消費(fèi)者開(kāi)始接受嵌入式系統(tǒng)的數(shù)字化產(chǎn)品，如:像手機(jī)、PDA、車(chē)載GPS系統(tǒng)、數(shù)控機(jī)床、網(wǎng)絡(luò)冰箱等。它們功耗低，功能強(qiáng)。而反觀在我們現(xiàn)今的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備或者是傳統(tǒng)的單片機(jī)，它們功能薄弱，開(kāi)發(fā)難度大，或者是工控機(jī)，他們與PC類似，體積龐大，價(jià)格昂貴。這些與消費(fèi)市場(chǎng)上的功能強(qiáng)大的嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展是不相稱的，因此本文提出了一種搭建嵌入式監(jiān)控工作站的快速方法。

2 嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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，適用于對(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)。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及應(yīng)用程序四個(gè)部分組成。下面我們依次介紹:
2.1 嵌入式硬件
近些年來(lái)，隨著微電子技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展[1>，出現(xiàn)了許多性能優(yōu)良的嵌入式硬件，例如:
* 全美達(dá)(Transmeta)公司Crusoe處理器
Crusoe Special Embedded(特別嵌入，SE)處理器是Transmeta現(xiàn)有Crusoe 5500和5800微處理器的一種版本，它經(jīng)受了24小時(shí)的高溫老化(burn-in)測(cè)試過(guò)程，可以在100℃的溫度下工作10年。Transmeta保證五年的供貨和支持。該處理器小體積和低功耗的特點(diǎn)使其頗具優(yōu)勢(shì)。其標(biāo)準(zhǔn)的667MHz CPU消耗功率為6.1瓦，低功耗版本消耗5.1瓦。是嵌入式微處理器的理想選擇。
* National semiconditong的geode系列g(shù)x1,gx2
尤其是最新的gx2,與其協(xié)同芯片Geode CS5535搭配，便能為資訊家電產(chǎn)品提供完整的解方案，其功能特色包括:嵌入式SDRAM 雙倍資料傳輸率(DDR)記憶體控制器、延伸圖像處理支援、4個(gè)(USB)以及一嵌式IDE控制器。Geode GX2是目前專為資訊家電所的處理器中耗電量最低的產(chǎn)品，其耗電量只有業(yè)界目前其他X86架構(gòu)同級(jí)處理器的一半。Geode GX2能大幅降低功率等級(jí)與耗電量，主要是得利于美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體革命性的GeodeLink?系統(tǒng)架構(gòu)、分段式硬件功率周期與降壓處理。Geode GX2處理器加上協(xié)同芯片后的標(biāo)準(zhǔn)耗電量低于2瓦特，而在串流媒體的應(yīng)用上，即使加上協(xié)同晶片，整體耗電量也只需要3W。
* Via公司的eden處理器
EDEN的全稱是嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)(embeded system p.latform),via的eden平臺(tái)包括了低功耗、高性能的第六代處理器核心，高整合度的北橋芯片以及vt8231南橋芯片。基本的eden平臺(tái)已內(nèi)嵌AGP 2x/4x的3d繪圖加速核心，與輸出入控制，網(wǎng)絡(luò)支持及多媒體音效功能，而客戶還可根據(jù)市場(chǎng)需求，彈性的選擇外圍芯片產(chǎn)品，進(jìn)一步增強(qiáng)usb2.0,高速網(wǎng)絡(luò)連接等應(yīng)用功能，其平臺(tái)耗電量為6瓦無(wú)需風(fēng)扇，有完整的操作系統(tǒng)支持。
2.2 嵌入式硬件外圍擴(kuò)展結(jié)構(gòu)
現(xiàn)今的嵌入式體系結(jié)構(gòu)主要以pc-104總線結(jié)構(gòu)居多。這是一種十分緊湊(90x90mm)、自棧式、模塊化的結(jié)構(gòu)。這種總線結(jié)構(gòu)在硬體和軟體上，與標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)式機(jī)pc(pc/at)體系完全兼容，可以利用豐富的臺(tái)式機(jī)軟件資源，這包括操作系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)程序、功能庫(kù)和開(kāi)發(fā)工具，從而將大大降低開(kāi)發(fā)成本，減少風(fēng)險(xiǎn)及縮短開(kāi)發(fā)周期。
2.3 嵌入式操作系統(tǒng)
現(xiàn)今嵌入式操作系統(tǒng)有許多，真正有影響的有Vxwork,Linux,Win CE。Vxwork功能強(qiáng)大，但其使用費(fèi)用實(shí)在是太高，且開(kāi)發(fā)環(huán)境復(fù)雜。而Linux雖然是免費(fèi)的，但市場(chǎng)出現(xiàn)的Linux版本實(shí)在太多，無(wú)法主推一個(gè)比較完善，標(biāo)準(zhǔn)的Linux解決方案，缺乏強(qiáng)有力的商業(yè)公司的推動(dòng)，無(wú)法提供長(zhǎng)期的服務(wù)保證和獲得廣大硬件廠商的支持。而由微軟(Microsoft)推出的嵌入式操作系統(tǒng)Win CE4.2，在現(xiàn)今的嵌入式系統(tǒng)大戰(zhàn)中越來(lái)越突出。其主要特點(diǎn)如下[2>:
* 功能界面美觀 Windows窗口，用戶熟悉，方便易用;
* 改進(jìn)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核 最小配置可小至200KB，可以滿足工業(yè)設(shè)備實(shí)時(shí)性的要求;
* 編程方便 與Windows API的良好銜接，使Windows 編程人員可以很快進(jìn)入CE編程，降低開(kāi)發(fā)成本、縮短投放市場(chǎng)時(shí)間;
* NET Compact Framework 實(shí)現(xiàn)硬件與操作系統(tǒng)無(wú)關(guān)性;
* 集成ipv6 提供無(wú)限、低廉但先進(jìn)的網(wǎng)路和應(yīng)用系統(tǒng);
* 開(kāi)放源代碼 2003年4月9日,MS公司公開(kāi)Windows CE操作系統(tǒng)軟件部分源代碼，以反擊免費(fèi)軟件Linux;
* 最后一點(diǎn)，微軟公司強(qiáng)大的技術(shù)創(chuàng)新能力和市場(chǎng)開(kāi)拓能力。提供長(zhǎng)期的服務(wù)保證和技術(shù)支持能力
2.4 應(yīng)用程序
應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)我們選用北京昆侖通態(tài)自動(dòng)化軟件科技有限公司MCGS嵌入版組態(tài)軟件。MCGS嵌入版組態(tài)軟件是針對(duì)Windows CE實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)的組態(tài)軟件。用戶只需要通過(guò)簡(jiǎn)單的組態(tài)就可構(gòu)造自己的應(yīng)用系統(tǒng)，從而將用戶從繁瑣的編程中解脫出來(lái)，使用戶在使用嵌入式系統(tǒng)時(shí)更加得心應(yīng)手。MCGS嵌入式體系結(jié)構(gòu)分為組態(tài)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境兩部分，組態(tài)環(huán)境相當(dāng)于一套完整的工具軟件，在PC機(jī)上運(yùn)行，用簡(jiǎn)單的模塊化設(shè)計(jì)幫助用戶構(gòu)造自己的應(yīng)用系統(tǒng)，組態(tài)好的應(yīng)用系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)或串口下載到嵌入式操作系統(tǒng)Windows CE中實(shí)時(shí)運(yùn)行。嵌入版組態(tài)軟件的按功能剪裁的特性，以及其內(nèi)嵌的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，可以在保證整個(gè)嵌入系統(tǒng)小體積、低成本、高實(shí)時(shí)性、高可靠性的同時(shí)，方便不具備嵌入式軟件開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)的用戶在極短的時(shí)間內(nèi)，用嵌入版組態(tài)軟件快速開(kāi)發(fā)完成一個(gè)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，縮短嵌入式產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)的速度。

3 應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

我們的工程是一個(gè)智能家居的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)它能實(shí)現(xiàn)以下功能:
(1) 對(duì)電氣設(shè)備的控制和管理:能遠(yuǎn)程控制燈、熱水器以及空調(diào)等電氣設(shè)備;
(2) 家居安全:家庭內(nèi)部出現(xiàn)的緊急情況(如盜搶和火災(zāi) )能自動(dòng)向主人手機(jī)或物業(yè)管理中心報(bào)警。家庭成員的醫(yī)療求助信息能遠(yuǎn)傳到社區(qū)醫(yī)療中心。
(3) 能源管理:三表自動(dòng)顯示并將數(shù)據(jù)抄送到物業(yè)管理中心,免除物業(yè)人員的入室干擾，定時(shí)開(kāi)關(guān)供暖通路及天然氣,節(jié)約費(fèi)用和保證安全。
3.1 系統(tǒng)硬件
系統(tǒng)硬件我們經(jīng)過(guò)考慮采用臺(tái)灣研華科技公司的嵌入式工控主板PCM-3350和PCM-3618多串口卡，PCM-3350是一塊96mm x 90mm英寸的基于pc-104總線結(jié)構(gòu)的主板，體積最小，但在功能上卻具備了一臺(tái)完備的電腦所要求的所有功能。內(nèi)置美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的Embedded Low power Geode GX1-233 MHz processor，自帶10/100Base-T 網(wǎng)卡。板載 LCD 控制器支持 36 位圖像，帶有2個(gè)串口和1個(gè)并口、1個(gè)軟驅(qū)接口、1個(gè)CF卡電子盤(pán)接口和1個(gè)IDE接口，主板功耗小于10W，由于本用戶系統(tǒng)外界設(shè)備較多，所以又選用一塊基于PC-104總線，有4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的RS232串口的PCM-3618多串口卡。
系統(tǒng)配置方式是將3618插到3350主板上，設(shè)置好3618的中斷和基地址，然后用WIN CE的開(kāi)發(fā)平臺(tái)Plateform Builder 4.2來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的CE操作系統(tǒng)配置>，由于微軟提供的標(biāo)準(zhǔn)串口驅(qū)動(dòng)不支持多串口共享中斷，而系統(tǒng)又沒(méi)有足夠的中斷供多串口使用，所以必須開(kāi)發(fā)相應(yīng)的可共享中斷的多串口驅(qū)動(dòng)。有了串口驅(qū)動(dòng)，將其加入Plateform Builder 4.2的用戶組件庫(kù)中，然后再相應(yīng)的加入顯卡，并口，USB，鼠標(biāo)鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng),以及一些應(yīng)用服務(wù)如:MFC類庫(kù)，硬盤(pán)驅(qū)動(dòng),USB各功能模塊(打印，存儲(chǔ)等)，加入觸摸屏用于現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)交互，加入Web server用于遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)，加入局域網(wǎng)上網(wǎng)，撥號(hào)上網(wǎng)功能。這些都確定后，然后配置相應(yīng)的內(nèi)存和上面各種功能的相應(yīng)注冊(cè)表鍵值，然后編譯操作系統(tǒng)鏡像，下載，進(jìn)行相應(yīng)的操作系統(tǒng)功能測(cè)試就可以了。
3.2 用戶工程
通過(guò)MCGS嵌入版組態(tài)軟件在上位機(jī)來(lái)對(duì)用戶工程進(jìn)行組態(tài)，用戶工程各個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)通過(guò)如下實(shí)現(xiàn):
(1) 對(duì)電氣設(shè)備的控制和管理, 通過(guò)mcgs軟件的model遠(yuǎn)程撥號(hào)來(lái)控制燈、熱水器以及空調(diào)等電氣設(shè)備的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。采用研華4060模塊來(lái)控制各個(gè)器件的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，組態(tài)過(guò)程中加入4060模塊驅(qū)動(dòng)，加入modeml設(shè)備，設(shè)定遠(yuǎn)程撥號(hào)的一些信號(hào)指令，用這些信號(hào)通過(guò)modeml作用到工作站，工作站分析這些信號(hào)，發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)來(lái)控制4060模塊的輸出信號(hào)來(lái)間接控制各個(gè)電器狀態(tài)。以次實(shí)現(xiàn)諸如在炎熱的夏天可以在到家前的半小時(shí)打開(kāi)空調(diào)，等一回到家里就可以享受到舒適的家居生活。
(2) 家居安全,通過(guò)家庭內(nèi)部的實(shí)時(shí)信號(hào)采集監(jiān)控設(shè)備來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)控家庭內(nèi)部各個(gè)環(huán)境信號(hào)，然后通過(guò)mcgse軟件的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)同步將數(shù)據(jù)同步到物業(yè)管理中心的遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)上。在遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上運(yùn)行我們的mcgs通用版組態(tài)軟件，組態(tài)時(shí)設(shè)置好各個(gè)設(shè)備的報(bào)警參數(shù)。實(shí)際運(yùn)行時(shí)它可對(duì)下位機(jī)同步過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、統(tǒng)計(jì)，如果有異常數(shù)據(jù)可立即進(jìn)行報(bào)警。如此，物業(yè)管理中心就可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控家居情況。
(3) 能源管理,通過(guò)用戶工程對(duì)各種智能電表、智能水表參數(shù)等智能設(shè)備進(jìn)行通訊，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并定期將數(shù)據(jù)同步到物業(yè)管理中心的遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)上，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表。此外，當(dāng)用戶該交水費(fèi)、電費(fèi)等費(fèi)用時(shí)，物業(yè)管理中心亦可通過(guò)其遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)向用戶的工作站下位機(jī)發(fā)送相應(yīng)信號(hào)進(jìn)行報(bào)警，提醒用戶。實(shí)現(xiàn)高效的能源管理。
本系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖如如圖1所示:

開(kāi)發(fā)結(jié)束后，通過(guò)網(wǎng)線將工程直接下載到PCM-3350的CF卡電子盤(pán)上即可。系統(tǒng)啟動(dòng)后自動(dòng)進(jìn)入運(yùn)行工程。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文簡(jiǎn)單介紹了嵌入式系統(tǒng)軟硬件的最新進(jìn)展，并結(jié)合MCGS嵌入版組態(tài)軟件的功能，對(duì)其在智能家居中的應(yīng)用進(jìn)行了闡述，此方法構(gòu)造的系統(tǒng)模塊集成度高，體積小，可靠性高，在智能家居工程中有很好的應(yīng)用。

     關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)

     嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS） 硬件抽象層（HAL）

     板級(jí)支持包（BSP）

     隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了越來(lái)越多的便攜設(shè)備和智能設(shè)備。這些設(shè)備中通常包含控制用的CPU和相應(yīng)的操作系統(tǒng)；這類特殊的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)叫做嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)。嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)以其簡(jiǎn)潔高效等特點(diǎn)在計(jì)算機(jī)、通信等領(lǐng)域中廣泛使用。

     由于嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境的特殊性，因此在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中存在著許多特殊問(wèn)題。其中，操作系統(tǒng)及其他系統(tǒng)軟件模塊與硬件之間的接口形式是嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的主要特征和系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中的必需環(huán)節(jié)，也是影響嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用前景的關(guān)鍵問(wèn)題。經(jīng)過(guò)近些年的發(fā)展，隨著通用嵌入式操作系統(tǒng)技術(shù)的日趨成熟和應(yīng)用的不斷擴(kuò)大，一種統(tǒng)一的接口形式得到廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用，這就是通常所說(shuō)的板級(jí)支持包，即BSP。

     1 嵌入式系統(tǒng)硬件抽象層的原理

     1.1 硬件抽象層的引入

     嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)作為一類特殊的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自底向上包含三個(gè)部分，如圖1所示。

     （1）硬件環(huán)境：是整個(gè)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)應(yīng)用程序運(yùn)行的硬件平臺(tái)；不同的應(yīng)用通常有不同的硬件環(huán)境；硬件平臺(tái)的多樣性是嵌入式系統(tǒng)的一個(gè)主要特點(diǎn)。

     （2）嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)——RTOS：完成嵌入式實(shí)時(shí)應(yīng)用的任務(wù)調(diào)度和控制等核心功能，具有內(nèi)核較精簡(jiǎn)、可配置、與高層應(yīng)用緊密關(guān)聯(lián)等特點(diǎn)。嵌入式操作系統(tǒng)具有相對(duì)不變性。

     （3）嵌入式實(shí)時(shí)應(yīng)用程序：運(yùn)行于操作系統(tǒng)之上，利用操作系統(tǒng)提供的實(shí)時(shí)機(jī)制完成特定功能的嵌入式應(yīng)用。不同的系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)不同的嵌入式實(shí)時(shí)應(yīng)用程序。

     由于嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的硬件環(huán)境差異較大，因此，如何簡(jiǎn)潔有效地使嵌入式系統(tǒng)能夠應(yīng)用于各種不同的應(yīng)用環(huán)境是嵌入式系統(tǒng)發(fā)展中所必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

     經(jīng)過(guò)不斷的發(fā)展，原先嵌入式系統(tǒng)的三層結(jié)構(gòu)逐步演化成為一種四層結(jié)構(gòu)。這個(gè)新增加的中間層次位于操作系統(tǒng)和硬件之間，包含了系統(tǒng)中與硬件相關(guān)的大部分功能。通過(guò)特定的上層接口與操作系統(tǒng)進(jìn)行交互，向操作系統(tǒng)提供底層的硬件信息；并根據(jù)操作系統(tǒng)的要求完成對(duì)硬件的直接操作。由于引入了一個(gè)中間層次，展蔽了底層硬件的多樣性，操作系統(tǒng)不再直接面對(duì)具體的硬件環(huán)境。而是面向由這個(gè)中間層次所代表的、邏輯上的硬件環(huán)境。因此，把這個(gè)中間層次叫做硬件抽象層HAL（Hardware

     Abstraction Layer）。在目前的嵌入式領(lǐng)域中通常也把HAL叫做板級(jí)支持包BSP（Board

     Support Package）。圖2顯示了引入HAL以后的嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。BSP的引入大大推動(dòng)了嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的通用化，從而為嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用提供了可能。

     1.2 BSP的特點(diǎn)與功能

     HAL/BSP的提出使通用的嵌入式操作系統(tǒng)及高層的嵌入式應(yīng)用能夠有效地運(yùn)行于特定的、應(yīng)用相關(guān)的硬件環(huán)境之上，使擔(dān)任系統(tǒng)和應(yīng)用程序能夠控制和操作具體的硬件設(shè)備，完成特定的功能。因此，在絕大多數(shù)的嵌入式系統(tǒng)中，BSP是一個(gè)必不可少的層次。

     由于在系統(tǒng)中的特殊位置，因此BSP具有以下主要特點(diǎn)：

     （1）硬件相關(guān)性

     因?yàn)榍度胧綄?shí)時(shí)系統(tǒng)的硬件環(huán)境具有應(yīng)用相關(guān)性，所以，作為高層軟件與硬件之間的接口，BSP必須為操作系統(tǒng)提供操作和控制具體硬件的方法。

     （2）操作系統(tǒng)相關(guān)性

     不同的操作系統(tǒng)具有各自的軟件層次結(jié)構(gòu)，

     因此，不同的操作系統(tǒng)具有特定的硬件接口形式。

     在實(shí)現(xiàn)上，BSP是一個(gè)介于操作系統(tǒng)和底層硬件之間的軟件層次，包括了系統(tǒng)中大部分與硬件相關(guān)的軟件模塊。在功能上包含兩部分：系統(tǒng)初始化及與硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)。

     2 BSP的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

     為實(shí)現(xiàn)上述兩部分功能，設(shè)計(jì)一個(gè)完整的BSP需要完成兩部分工作：

     （1）設(shè)計(jì)初始化過(guò)程，完成嵌入式系統(tǒng)的初始化；

     （2）設(shè)計(jì)硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)，完成操作系統(tǒng)及應(yīng)用程序?qū)唧w硬件的操作。

     2.1 嵌入式系統(tǒng)初始化以及BSP的功能

     嵌入式系統(tǒng)的初始化過(guò)程是一個(gè)同時(shí)包括硬件初始化和軟件（主要是操作系統(tǒng)及系統(tǒng)軟件模塊）初始化的過(guò)程；而操作系統(tǒng)啟動(dòng)以前的初始化操作是BSP的主要功能之一。由于嵌入式系統(tǒng)不僅具有硬件環(huán)境的多樣性，同時(shí)具有軟件的可配置性，因此，不同的嵌入式系統(tǒng)初始化所涉及的內(nèi)容各不相同，復(fù)雜程度也不盡相同。但是初始化過(guò)程總是可以抽象為三個(gè)主要環(huán)境，按照自底向上、從硬件到軟件的次序依次為：片級(jí)初始化、板級(jí)初始化和系統(tǒng)級(jí)初始化。

     （1）片級(jí)初始化：主要完成CPU的初始化，包括設(shè)置CPU的核心寄存器和控制寄存器，CPU核心工作模式以及CPU的局部總線模式等。片級(jí)初始化把CPU從上電時(shí)的缺省狀態(tài)逐步設(shè)置成為系統(tǒng)所要求的工作狀態(tài)。這是一個(gè)純硬件的初始化過(guò)程。

     （2）板級(jí)初始化：完成CPU以外的其他硬件設(shè)備的初始化。除此之外，還要設(shè)置某些軟件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，為隨后的系統(tǒng)級(jí)初始化和應(yīng)用程序的運(yùn)行建立硬件和軟件環(huán)境。這是一個(gè)同時(shí)飲食軟硬件兩部分在內(nèi)的初始化過(guò)程。

     （3）系統(tǒng)級(jí)初始化：這是一個(gè)以軟件初始化為主的過(guò)程，主要進(jìn)行操作系統(tǒng)初始化。BSP將控制轉(zhuǎn)交給操作系統(tǒng)，由操作系統(tǒng)進(jìn)行余下的初始化操作。包括加載和初始化與硬件無(wú)關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，建立系統(tǒng)內(nèi)存區(qū)，加載并初始化其他系統(tǒng)軟件模塊，比如網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、文件系統(tǒng)等；最后，操作系統(tǒng)創(chuàng)建應(yīng)用程序環(huán)境并將控制轉(zhuǎn)交給應(yīng)用程序的入口。

     經(jīng)過(guò)以上三個(gè)層次的操作，嵌入式系統(tǒng)運(yùn)行所需要的硬件和軟件環(huán)境已經(jīng)進(jìn)行了正確設(shè)置，從這里開(kāi)始，高層的實(shí)時(shí)應(yīng)用程序可以運(yùn)行了。

     需要指出：系統(tǒng)級(jí)初始化不是BSP的工作。但是，系統(tǒng)級(jí)初始化成功與否的關(guān)鍵在于BSP的前兩個(gè)初始化過(guò)程中所進(jìn)行的軟件和硬件的正確設(shè)置，而且系統(tǒng)級(jí)初始化也是由BSP發(fā)起的。因此，設(shè)計(jì)BSP中初始化功能的重點(diǎn)主要集中在前兩個(gè)環(huán)節(jié)。圖3顯示了嵌入式系統(tǒng)的初始化過(guò)程。

     2.2 硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

     BSP另一個(gè)主要功能是硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)。與初始化過(guò)程相反，硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的初始化和使用通常是一個(gè)從高層到底層的過(guò)程。

     盡管BSP中包含硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，但是這些設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序通常不直接由BSP使用，而是在系統(tǒng)初始化過(guò)程中由BSP把它們與操作系統(tǒng)中通用的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序關(guān)聯(lián)起來(lái)，并在隨后的應(yīng)用中由通用的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序調(diào)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件設(shè)備的操作。設(shè)計(jì)與硬件相關(guān)的驅(qū)動(dòng)程序是BSP設(shè)計(jì)中另一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。圖4顯示了調(diào)用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序時(shí)系統(tǒng)各個(gè)層次之間的關(guān)系。

     3 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)BSP的方法

     3.1 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)BSP的一般方法

     因?yàn)锽SP同時(shí)具硬件相關(guān)性和操作系統(tǒng)相關(guān)性，是一個(gè)介于硬件與軟件之間的中間層次。因此BSP的開(kāi)發(fā)不僅需要具備一定的硬件知識(shí)，例如CPU的控制、中斷控制器的設(shè)置、內(nèi)存控制器的設(shè)置及有關(guān)的總線規(guī)范等；同時(shí)還要求掌握操作系統(tǒng)所定義的BSP接口。另外，在BSP的初始化部分通常會(huì)包含一些匯編代碼，因此還要求對(duì)所使用的CPU匯編指令有所了解，例如X86的匯編和PowerPC的匯編指令等；對(duì)于某些復(fù)雜的BSP還要了解所使用的開(kāi)發(fā)工具，例如GNU、Diab

     Data等。

     總之，開(kāi)發(fā)BSP要求具備比較全面的軟、硬件知識(shí)和必要的編程經(jīng)驗(yàn)。由于設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性，在設(shè)計(jì)特定BSP時(shí)很少?gòu)牧汩_(kāi)始，而是采用以下兩種快捷方法。

     方法一：以經(jīng)典BSP為參考

     在設(shè)計(jì)BSP時(shí)，首先選擇與應(yīng)用硬件環(huán)境最為相似的參考設(shè)計(jì)，例如Motorola的ADS系列評(píng)估板等。針對(duì)這些評(píng)估板，不同的操作系數(shù)都會(huì)提供完整的BSP，這些BSP是學(xué)習(xí)和開(kāi)發(fā)自己BSP的最佳參考。針對(duì)具體應(yīng)用的特定環(huán)境對(duì)參考設(shè)計(jì)的BSP進(jìn)行必要的修改和增加，就可以完成簡(jiǎn)單的BSP設(shè)計(jì)。

     下面以設(shè)計(jì)pSOS操作系統(tǒng)的BSP初始化過(guò)程為例。PSOS系統(tǒng)初始化的層次非常清晰，與初始化過(guò)程相對(duì)應(yīng)的是以下三個(gè)文件：

     1）init.s：對(duì)應(yīng)于片級(jí)初始化；完成CPU的初始化操作，設(shè)置CPU的工作狀態(tài)；

     2）board.c：對(duì)慶于板級(jí)初始化；繼續(xù)CPU初始化，并設(shè)置CPU以外的硬件設(shè)備；

     3)sysinit.c：對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)級(jí)初始化；完成操作系統(tǒng)的初始化，并啟動(dòng)應(yīng)用程序。

     以參考BSP為切入點(diǎn)，針對(duì)初始化過(guò)程的具體環(huán)節(jié)，在對(duì)應(yīng)的文件中進(jìn)行某些參數(shù)的修改及功能的增加就可以實(shí)現(xiàn)BSP的系統(tǒng)初始化功能。

     因?yàn)锽SP具有操作系統(tǒng)相關(guān)性，因此，不同的操作系統(tǒng)會(huì)使用不同的文件完成類似的初初化操作。

     BSP中硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序隨操作系統(tǒng)的不同而具有比較大的差異，設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)參照操作系統(tǒng)相應(yīng)的接口規(guī)范。

     方法二：使用操作系統(tǒng)提供的BSP模板

     除了提供某些評(píng)估板的BPS以外，很多操作系統(tǒng)還提供相應(yīng)的BSP模板（一組需要編寫(xiě)的文件），根據(jù)模板的提示也可以逐步完成特定BSP的設(shè)計(jì)。

     相比較而言，第一種方法最為簡(jiǎn)單快捷。因此，在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常以第一種方法為主，同時(shí)結(jié)合使用第二種方法。

     在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)BSP兩部分功能時(shí)應(yīng)采用以下兩種不同方法：

     （1）“自底向上”地實(shí)現(xiàn)BSP中的初始化操作：從片級(jí)初始化開(kāi)始到系統(tǒng)初始化；

     （2）“自頂向下”地設(shè)計(jì)硬件相關(guān)的驅(qū)動(dòng)程序：從API開(kāi)始，到操作系統(tǒng)內(nèi)部的通用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，再到BSP內(nèi)部的硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，最后到底層具體的硬件設(shè)備。

     3.2 BSP設(shè)計(jì)方法的不足與改進(jìn)

     從以上介紹的兩種設(shè)計(jì)方法可以看出：目前BSP的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)主要是針對(duì)某些特定的文件進(jìn)行修改。這種方法比較原始，它不僅要求設(shè)計(jì)人員了解BSP的各個(gè)組成部分及所對(duì)應(yīng)的文件和相關(guān)參數(shù)的具體含義，還要求具備比較全面的軟硬件知識(shí)。直接修改相關(guān)文件容易造成代碼的不一致性，增加軟件設(shè)計(jì)上的隱形錯(cuò)誤，從而增加系統(tǒng)調(diào)試和代碼維護(hù)的難度。隨著底層硬件功能的日益復(fù)雜，開(kāi)發(fā)BSP所涉及的內(nèi)容也越來(lái)越多。這種原始方法的足之處也越來(lái)越突出。進(jìn)行BSP設(shè)計(jì)方法和工具的創(chuàng)新成為一個(gè)日益突出的問(wèn)題。

     解決這個(gè)問(wèn)題的一個(gè)可行辦法是：設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種具有圖形界面的BSP開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)向?qū)�，由該向�(qū)е笇?dǎo)設(shè)計(jì)者逐步完成BSP的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，并最終由向?qū)上鄳?yīng)的BSP文件，而不再由設(shè)計(jì)人員直接對(duì)源文件進(jìn)行修改。這樣不僅可以大大縮短BSP的開(kāi)發(fā)周期，減少代碼不一致性，而且系統(tǒng)排錯(cuò)、調(diào)試以及維護(hù)都很簡(jiǎn)單。因此，這種方法是目前嵌入式領(lǐng)域中BSP設(shè)計(jì)的一個(gè)趨勢(shì)和研究方向。但是，由于嵌入式系統(tǒng)硬件環(huán)境的多樣性，設(shè)計(jì)向?qū)У膶?shí)現(xiàn)仍需解決若干關(guān)鍵問(wèn)題。為此，作者仍將在這一方面作進(jìn)一步研究。

　　本語(yǔ)音信號(hào)處理平臺(tái)需要考慮以下幾個(gè)方面的設(shè)計(jì)要求。在運(yùn)算量方面，本平臺(tái)上運(yùn)行的幾種語(yǔ)音編碼算法都具有比較高的運(yùn)算復(fù)雜度，經(jīng)過(guò)CCS的仿真測(cè)試結(jié)果表明，至少要求DSP芯片有50MIPS的處理能力。在接口設(shè)計(jì)方面，搭載本聲碼器模塊的通訊平臺(tái)定義了如表1所示的接口管腳，其中VIN和VOUT分別連接到通訊平臺(tái)的話筒和聽(tīng)筒上的輸入和輸出話音，PTT連接到話筒的按鈕上，按下PTT表示請(qǐng)求通話。TXD和RXD分別是發(fā)送和接收的數(shù)字語(yǔ)音碼流信號(hào)，RTS和CD分別是發(fā)送和接收碼流指示，為低電平的時(shí)候表示碼流有效。TXC為系統(tǒng)的同步時(shí)鐘。在功耗方面，由于是手持式設(shè)備，要求采用低功耗設(shè)計(jì)，以延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間。另外，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的安全性也是一個(gè)需要考慮的因素。

 
　　基于以上幾項(xiàng)設(shè)計(jì)要求，以及以前設(shè)計(jì)的原型系統(tǒng)原理[7]，我們提出了一個(gè)基于TMS320VC5510A2和MSP430F149的設(shè)計(jì)方案。[1] 5510A2是德州儀器公司的55系列DSP的最高端的產(chǎn)品，這個(gè)系列的DSP是特別針對(duì)手持式終端設(shè)備應(yīng)用場(chǎng)合設(shè)計(jì)的，同等條件下其內(nèi)核的功耗僅為54系列DSP的三分之一，而且具有更高的代碼執(zhí)行效率，其指令也與54系列的相互兼容，可以很方便的進(jìn)行代碼的移植。5510A2的最高數(shù)字信號(hào)的處理能力為200MIPS，能夠很好的滿足本平臺(tái)對(duì)運(yùn)算的要求。[6]MSP430F149是德州儀器生產(chǎn)的一款極低功耗的16位RISC結(jié)構(gòu)的單片機(jī)，我們用他來(lái)做為主控芯片輔助DSP完成程序加載和系統(tǒng)加密的功能。圖1給出了該硬件平臺(tái)的總體框圖。

　　如圖所示，當(dāng)PTT被按下則表示請(qǐng)求通話，話筒輸入的模擬話音VIN通過(guò)一個(gè)放大電路放大之后輸入語(yǔ)音CODEC芯片TLV320AIC11，TLV320AIC11內(nèi)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成16bit的線性PCM格式并通過(guò)DSP的McBSP0口傳送到DSP內(nèi)部接收語(yǔ)音緩沖區(qū)，DSP在緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)在積累到一定幀長(zhǎng)之后啟動(dòng)編碼算法編成特定碼率的碼流。編好的碼流被送入另一發(fā)送比特流緩沖區(qū)緩沖。該緩沖區(qū)內(nèi)的信號(hào)在同步時(shí)鐘TXC的上升沿被送到MODEM的調(diào)制模塊調(diào)制并發(fā)射出去。同時(shí)，DSP檢測(cè)MODEM的CD信號(hào)，當(dāng)CD信號(hào)有效（低電平）時(shí)，在同步時(shí)鐘TXC的下降沿鎖存RXD上的數(shù)據(jù)并送入DSP內(nèi)的接收比特流緩沖區(qū)。當(dāng)接收比特緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)積累到一定長(zhǎng)度時(shí)，DSP啟動(dòng)解碼程序?qū)⑵浣獯a成16bit的PCM語(yǔ)音。該語(yǔ)音通過(guò)McBSP0口被送入TLV320AIC11，TLV320AIC11內(nèi)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成模擬的語(yǔ)音信號(hào)送入聽(tīng)筒。

　　目前，在嵌入式處理器市場(chǎng)上，arm系列處理器以其高性價(jià)比，價(jià)格低廉廣受用戶青睞，而且許多國(guó)際知名的芯片生產(chǎn)廠家都已經(jīng)購(gòu)買(mǎi)了arm芯片設(shè)計(jì)許可并開(kāi) 始大量生產(chǎn)針對(duì)特定應(yīng)用領(lǐng)域的arm芯片，芯片種類十分豐富。arm公司專注于芯片內(nèi)核設(shè)計(jì)，其內(nèi)核功耗少、成本低、功能強(qiáng)，特有的16位/32位雙指令 集，存儲(chǔ)器比等價(jià)32位代碼節(jié)省近35%，16位的thumb狀態(tài)和正常的arm狀態(tài)之間的開(kāi)銷(xiāo)為零。目前arm嵌入式處理器有5個(gè)產(chǎn)品系列-arm7、 arm9、arm9e、arm10和securcore。

　　arm7系列是低功耗的32位核，最適合應(yīng)用于對(duì)價(jià)位核功耗敏感的產(chǎn)品，可分為應(yīng)用于實(shí)時(shí)環(huán)境的arm7tdmi、arm7tdmi-s以及適用于開(kāi)放平 臺(tái)的arm720t核適用于dsp運(yùn)算及支持java的arm7ej等。arm7采用三級(jí)流水線和馮-諾依曼結(jié)構(gòu)，提供0.9mips/mhz的性能。迄 今為止，arm7tdmi是世界上應(yīng)用最廣泛的32位嵌入式處理器。

　　arm9系列采用5級(jí)流水線和哈佛結(jié)構(gòu)，提供1.1mips/mhz的性能，是高性能和低功耗的硬宏單元。arm920t和arm922t具有全性能的 mmu、指令和數(shù)據(jù)cache以及高速amba總線接口。

　　arm10系列硬宏單元，帶有dsp擴(kuò)展、embeddedice-rt、全性能 mmu、cache和64位ahb指令和數(shù)據(jù)接口，采用六級(jí)流水線，提供1.25mips/mhz的性能，比同等的arm9器件性能提高50%。

　　嵌入式操作系統(tǒng)通常分為商用型和免費(fèi)型兩類。商用的嵌入式操作系統(tǒng)有windriver(風(fēng)河)的vxworks和psos、美國(guó)ati的nucleus plus以及microsoft(微軟)的windows ce等。免費(fèi)的嵌入式操作系統(tǒng)有嵌入式ulinux、uc/os等。商用型操作系統(tǒng)功能穩(wěn)定、可靠，有完善的技術(shù)支持和售后服務(wù)，但往往價(jià)格昂貴。免費(fèi)型操作系統(tǒng)具有源代碼公開(kāi)和無(wú)需版稅的優(yōu)勢(shì)，但也存在著開(kāi)發(fā)困難的不足。

　　uclinux是一種優(yōu)秀的嵌入式linux版本，繼承了標(biāo)準(zhǔn)linux的優(yōu)良特性，并針對(duì)嵌入式處理器的特點(diǎn)而設(shè)計(jì)，內(nèi)嵌網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、支持多種文件系統(tǒng)， 開(kāi)發(fā)者可以利用標(biāo)準(zhǔn)linux先驗(yàn)知識(shí)等優(yōu)勢(shì)。其編譯后的文件可控制在幾百k量級(jí)。uclinux具有對(duì)多種文件系統(tǒng)的支持能力，而且內(nèi)嵌了tcp/ip 協(xié)議，非常適合于應(yīng)用在工控領(lǐng)域。uclinux已經(jīng)成功移植到多種像s3c4510b這樣不帶mmu的嵌入式微處理器平臺(tái)上，并在穩(wěn)定性和其他方面都有上佳表現(xiàn)。更為重要的是uclinux具有完整的tcp/ip協(xié)議，可直接在其基礎(chǔ)上進(jìn)行應(yīng)用層協(xié)議開(kāi)發(fā)，大大加快軟件開(kāi)發(fā)進(jìn)程。當(dāng)然該系統(tǒng)也并非十全十美，它的非實(shí)時(shí)性就使應(yīng)用受到一定的限制，不過(guò)這點(diǎn)可以通過(guò)修改內(nèi)核來(lái)彌補(bǔ)。uclinux的基本架構(gòu)如圖1所示:

　　圖1 uclinux基本結(jié)構(gòu)

　　隨著現(xiàn)代控制理論、電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，整個(gè)拖動(dòng)領(lǐng)域正在進(jìn)行一場(chǎng)革命，交流電機(jī)的調(diào)速理論取得了突破性的進(jìn)展，交流傳動(dòng)取代直流傳動(dòng)已成為不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。變頻器以其節(jié)能顯著、過(guò)載能力強(qiáng)、調(diào)速精度高、響應(yīng)速度快、保護(hù)功能完善、使用和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)在交流傳動(dòng)領(lǐng)域的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。本文研究了一種基于嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)變頻器設(shè)計(jì)過(guò)程。

2 變頻器的硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 主電路設(shè)計(jì)

　　變頻器根據(jù)主電路的設(shè)計(jì)不同，可以分為交-交、交-直-交變頻器和電壓型、電流型變頻器，它們均有各自的特點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的變頻器屬于交-直-交電壓型，它的主電路由三相全波整流、電容濾波和智能功率模塊PM20CSJ060所構(gòu)成，如圖1所示。

　　PM20CSJ060內(nèi)部集成6個(gè)IGBT、柵極驅(qū)動(dòng)電路、欠電壓、過(guò)流、過(guò)熱、短路等保護(hù)電路以及故障信號(hào)輸出電路。P, N分別為直流輸入正負(fù)端;U, V, W為三相交流電壓輸出端;VUP1～VUPC, VVP1～VVPC, VWP1～VWPC, VN1～VNC是4組獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電源，前3組分別供給U, V, W 3個(gè)上橋臂元件，第4組電源供給3個(gè)下橋臂元件和制動(dòng)回路元件;UP, VP,WP, UN, VN, WN分別為6個(gè)IGBT的基極驅(qū)動(dòng)輸入信號(hào)，它們都是低電平有效的電平信號(hào)，與外部控制電路之間通過(guò)光電隔離;F0是IPM模塊內(nèi)故障檢測(cè)電路的輸出信號(hào)，當(dāng)其為低電平時(shí)，表示模塊發(fā)生了過(guò)流、短路、欠電壓或過(guò)熱中的某種故障，它只是向外部控制電路提供指示信號(hào)，即使外部控制電路不采取措施，模塊也會(huì)通過(guò)自保護(hù)電路封鎖基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而將自己保護(hù)起來(lái)。由于PM20CSJ060具有自保護(hù)功能，故不需要在整個(gè)系統(tǒng)中為所有的IGBT提供過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)熱保護(hù)電路了。

　　2.2 控制電路設(shè)計(jì)

　　變頻器控制電路以ARM單片機(jī)LPC2292為控制核心，主要由電源電路、交流電壓電流檢測(cè)電路、直流電壓檢測(cè)電路、故障檢測(cè)與處理電路、PWM脈沖輸出電路、LCD顯示和鍵盤(pán)輸入電路等構(gòu)成。

　　1、電源電路

　　控制電路所需的電源除了4組IGBT驅(qū)動(dòng)電源 15V以外，單片機(jī)LPC2292本身也需要工作電源，其CPU內(nèi)核需要 1.8V電源;I/O端口需要 3.3V電源。因此控制電路需要3種電壓的電源。4組 15V的電源我們是通過(guò)4個(gè)三端穩(wěn)壓器LM7815來(lái)實(shí)現(xiàn)的;而 1.8V和 3.3V電源則利用三端穩(wěn)壓器LM7805和LDO芯片（低壓差電源芯片）共同來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　2、交流電流電壓檢測(cè)電路

　　交流側(cè)的每相電流檢測(cè)采用的是TA17系列電流互感器TA17-04，由運(yùn)算放大電路將互感器輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，供單片機(jī)采樣。圖2（a）所示的是其中A相的電流檢測(cè)電路。TA17-04的輸入電流范圍為0～40A，輸出電流范圍為0～20mA，而單片機(jī)的采樣電壓范圍為0～3V，所以取反饋電阻Rf1=150Ω。另外圖中的電容Cr，和可調(diào)電阻r1用來(lái)補(bǔ)償相移。

　　3、直流電壓檢測(cè)電路

　　直流電壓檢測(cè)是通過(guò)取濾波電容兩端電壓，經(jīng)過(guò)電阻分壓后轉(zhuǎn)換成0～5V電壓信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)線性光電耦合器6N138整定為0～3V的電壓信號(hào)，通過(guò)電壓跟隨器輸出供單片機(jī)A/D通道采樣。

　　4、故障檢測(cè)與處理電路

　　PM20CSJ060有自保護(hù)功能，當(dāng)出現(xiàn)過(guò)流、欠壓、短路或過(guò)熱時(shí)，IMP的柵極驅(qū)動(dòng)單元就會(huì)關(guān)斷電流并輸出一個(gè)故障信號(hào)（FO）;當(dāng)U, V或W相的任一個(gè)上橋臂出現(xiàn)故障時(shí)，也會(huì)從相應(yīng)的輸出端輸出故障信號(hào)，另外系統(tǒng)增加的過(guò)壓/欠壓保護(hù)電路也有兩個(gè)故障輸出端。所有這些故障信號(hào)都是低電平有效，因此我們可以通過(guò)一個(gè)與門(mén)將這些故障輸出端相與后送到單片機(jī)的中斷口，不過(guò)有些端口在與之前先要進(jìn)行光耦隔離。

　　5、PWM脈沖輸出電路

　　驅(qū)動(dòng)IPM內(nèi)部的六路IGBT的PWM脈沖先是從LPC2292內(nèi)部PWM脈寬調(diào)制器輸出的，然后通過(guò)光耦隔離后再送到IMP的六路脈沖輸入端。

　　2.3 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

　　雖然PM20CSJ060有過(guò)流、欠壓、短路或過(guò)熱等自保護(hù)功能，但為了提高系統(tǒng)的可靠性和更好地保護(hù)IGBT,我們還是增加了一套快速而準(zhǔn)確的保護(hù)環(huán)節(jié)以防止各種故障的發(fā)生對(duì)系統(tǒng)造成的損壞。

　　1、欠壓/過(guò)壓保護(hù)電路

　　由于IGBT集電極與發(fā)射極之間的耐壓和承受反向壓降的能力有限，而電網(wǎng)的電壓波動(dòng)非常大，從而會(huì)導(dǎo)致直流回路過(guò)壓或欠壓，因此要設(shè)置直流電壓欠壓/過(guò)壓保護(hù)電路，以保護(hù)IGBT和其他元件不被損壞。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的欠壓/過(guò)壓保護(hù)電路，如圖3所示。圖中6N138為一個(gè)線性光電隔離器，輸出電壓信號(hào)與直流回路電壓成正比，當(dāng)直流回路電壓過(guò)低時(shí)，從6N138的VO端輸出一個(gè)較低電壓，與臨界欠電壓值相比較，小于則經(jīng)比較器LM393比較后輸出低電平的欠壓故障信號(hào);當(dāng)直流回路電壓過(guò)高時(shí)，從6N138的VO端輸出一個(gè)較高電壓，與臨界過(guò)電壓值相比較，大于則經(jīng)比較器LM393比較后也輸出低電平的過(guò)壓故障信號(hào)。將這兩個(gè)信號(hào)通過(guò)與門(mén)送到單片機(jī)的中斷口，單片機(jī)響應(yīng)中斷就可以進(jìn)行相應(yīng)的處理了，從而起到欠壓/過(guò)壓保護(hù)作用。

　　2、限流起動(dòng)保護(hù)電路

　　此電路是用來(lái)防止在電機(jī)起動(dòng)過(guò)程中，電容充電電流過(guò)大而損壞整流管。當(dāng)電機(jī)起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流很大，為了保護(hù)整流管，在主電路上串了一個(gè)限流電阻R1,定時(shí)15s后，單片機(jī)就控制繼電器將常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，使限流電阻R1短路，結(jié)束限流起動(dòng)過(guò)程，進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。

　　3、泵升電壓保護(hù)電路

　　當(dāng)電機(jī)負(fù)載進(jìn)入制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，反饋電流將向中間直流回路電容充電，導(dǎo)致直流電壓上升，產(chǎn)生所謂的泵升電壓。如果不對(duì)此電壓進(jìn)行限制，它將造成IGBT的永久損壞。產(chǎn)生泵升電壓是電機(jī)制動(dòng)過(guò)程不可避免的現(xiàn)象，為此要給制動(dòng)過(guò)程提供一條能量釋放路徑。

3 變頻器以太網(wǎng)接口電路的硬件設(shè)計(jì)

　　從硬件的角度看，以太網(wǎng)接口電路主要由MAC控制器和物理層接口（PHY）兩大部分構(gòu)成，目前常見(jiàn)的以太網(wǎng)接口芯片，如RTL8019, RTL8029, RTL8039, CS8900等，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也主要包含這兩部分。本文在設(shè)計(jì)以太網(wǎng)接口電路時(shí)，采用RTL8019AS作為以太網(wǎng)接口芯片，接口電路的電路圖如圖4所示，其中FC-518LS是網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器。

　　前面講過(guò)變頻器控制電路的設(shè)計(jì)，其中實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)控制功能的是微處理器LPC2292。由圖4可以看到，實(shí)現(xiàn)此變頻器的以太網(wǎng)接口功能，采用的微處理器仍然是LPC2292。那么也就是說(shuō)，LPC2292除了實(shí)現(xiàn)SVPWM波形的產(chǎn)生以外，還要負(fù)責(zé)與外界網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換。就網(wǎng)絡(luò)而言，LPC2292主要是對(duì)網(wǎng)卡芯片RTL8019AS進(jìn)行監(jiān)控，通過(guò)此芯片將數(shù)據(jù)發(fā)送到以太網(wǎng)上或從以太網(wǎng)上接收數(shù)據(jù)，然后通過(guò)以太網(wǎng)連接到Internet，從而實(shí)現(xiàn)真正的嵌入式TCP/IP設(shè)備。

4 基于μC/OS-II的系統(tǒng)整體軟件的設(shè)計(jì)

　　μC/OS-II是一個(gè)占先式、多任務(wù)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，它可以管理64個(gè)任務(wù)，除8個(gè)系統(tǒng)任務(wù)外，應(yīng)用程序最多可以有56個(gè)任務(wù)。若采用μC/OS-II來(lái)實(shí)現(xiàn)某系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，通常是把這整個(gè)系統(tǒng)分成若干個(gè)部分來(lái)完成，每個(gè)部分可以當(dāng)成一個(gè)單獨(dú)任務(wù)，然后在μC/OS-II的統(tǒng)一管理下來(lái)協(xié)調(diào)各部分的工作，從而達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)要求。本文在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，就是采用μC/OS-II框架，把系統(tǒng)軟件模塊化，分成多個(gè)任務(wù)來(lái)共同完成。

　　在一般32位ARM應(yīng)用系統(tǒng)中，軟件大多數(shù)采用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，并且以嵌入式操作系統(tǒng)為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，這樣就大大地提高了開(kāi)發(fā)效率和軟件性能。為了能夠進(jìn)行系統(tǒng)初始化，采用一個(gè)匯編文件作啟動(dòng)代碼是常用的做法，它可以實(shí)現(xiàn)堆棧初始化、系統(tǒng)變量初始化、中斷系統(tǒng)初始化、I/O初始化、地址重映射等操作。啟動(dòng)代碼是芯片復(fù)位后進(jìn)入C語(yǔ)言的main（）函數(shù)前執(zhí)行的一段代碼，主要是為運(yùn)行C語(yǔ)言程序提供基本運(yùn)行環(huán)境。

　　本文設(shè)計(jì)的變頻器，其控制核心是ARM單片機(jī)LPC2292，根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，它主要完成以下工作:（1） 鍵盤(pán)設(shè)定（Task1）:通過(guò)鍵盤(pán)可以設(shè)定一些參數(shù)，如電機(jī)工作頻率、系統(tǒng)時(shí)間等。（2） 脈沖產(chǎn)生（Task2）:生成SVPWM波形，驅(qū)動(dòng)IGBT。（3） 數(shù)據(jù)采樣與處理（Task3）:采樣變頻器直流側(cè)電壓電流、交流側(cè)電壓電流等，并進(jìn)行相應(yīng)的算法處理。（4）偵聽(tīng)服務(wù)（Task4）:偵聽(tīng)服務(wù)端口，當(dāng)客戶端要求連接時(shí)，提供給客戶端預(yù)先設(shè)計(jì)好的網(wǎng)頁(yè)，此網(wǎng)頁(yè)中含有本系統(tǒng)的一些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù);或者客戶端PING本地WEB服務(wù)器時(shí)，做出回顯應(yīng)答。（5） 故障處理（Task5）:當(dāng)有故障發(fā)生時(shí)，根據(jù)故障類型進(jìn)行相應(yīng)的處理。（6） LCD顯示（Task6）:顯示一些系統(tǒng)參數(shù)。

　　為此，把LPC2292要實(shí)現(xiàn)的功能分成6個(gè)部分，每個(gè)部分用μC/OS-II中的一個(gè)任務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這六個(gè)任務(wù)分別為T(mén)ask1、Task2, Task3, Task4, Tasks, Task6。

利用生物識(shí)別設(shè)備對(duì)生物特征進(jìn)行取樣，可以提供全方位的安全監(jiān)測(cè)保障。生物識(shí)別提取其唯一的特征并將其轉(zhuǎn)化成數(shù)字代碼，MC +VHW+AHW-在該配置中，并進(jìn)一步將這些代碼組成特征模板，●TMS320C54x處理器；人們同識(shí)別設(shè)備交互進(jìn)行身份認(rèn)證時(shí)，基于C6000的嵌入式系統(tǒng)一般采用引導(dǎo)三片上程序存儲(chǔ)器執(zhí)行的工作方式，識(shí)別設(shè)備獲取其特征并與數(shù)據(jù)庫(kù)中的特征模板進(jìn)行比對(duì)，然后再跳轉(zhuǎn)至內(nèi)核入口處運(yùn)行。以確定是否匹配，該任務(wù)執(zhí)行一次后刪除，從而決定接受或拒絕該人。使用例化調(diào)用了S盒。而在眾多的用于身份驗(yàn)證的生物識(shí)別技術(shù)中，使用Windows Embedded Compact 7的連接性，指紋識(shí)別技術(shù)是目前最方便、可靠、非侵害和價(jià)格便宜的解決方案。靜態(tài)函數(shù)庫(kù)：。

作為人體中最明顯的外表特征，圖2是光敏電路的基本原理圖。指紋具有獨(dú)一無(wú)二、普遍性、唯一性、易于采集等優(yōu)點(diǎn)。稱為 SPSR（備份程序狀態(tài)寄存器）。利用人類指紋穩(wěn)定性和獨(dú)特性的生理特征，這種DSP包含多種不同的運(yùn)算處理單元：。指紋鑒定技術(shù)成為了人們身上的一種“活的身份證”，使用硬件定時(shí)器作為時(shí)鐘中斷源，并且指紋具有不可替代性，其作用是承受賽車(chē)的靜態(tài)重量、動(dòng)態(tài)沖擊載荷以及吸收賽車(chē)剎車(chē)時(shí)的動(dòng)能,使通過(guò)指紋進(jìn)行身份鑒定的安全性大大提高，并且可以把儀器采集到的數(shù)據(jù)讀人計(jì)算機(jī)中，且隨著圖像處理模式識(shí)別方法的發(fā)展和指紋傳感器技術(shù)的日臻成熟，其目的無(wú)非是記錄真實(shí)的程序運(yùn)行流；指紋鑒定方法在金融、公安、門(mén)禁、戶籍管理等領(lǐng)域都有著良好的應(yīng)用前景。（1）調(diào)試器與被調(diào)試程序的通信 調(diào)試器與目標(biāo)操作系統(tǒng)通過(guò)指定通信端口（串口、網(wǎng)卡、并口）遵循遠(yuǎn)程調(diào)試協(xié)議進(jìn)行通信（遠(yuǎn)程調(diào)試協(xié)議。指紋的采集相對(duì)容易；通用的桌面操作系統(tǒng)與嵌入式操作系統(tǒng)在調(diào)試環(huán)境上存在明顯的差別。指紋的識(shí)別算法已經(jīng)較為成熟。而不會(huì)破壞對(duì)再現(xiàn)問(wèn)題起關(guān)鍵作用的敏感時(shí)序。由于指紋識(shí)別具有掃描指紋的速度快、方便、小型化等優(yōu)點(diǎn)，接口的核心是Xilinx三態(tài)以太網(wǎng)MAC核，指紋識(shí)別技術(shù)已經(jīng)逐漸進(jìn)入民用市場(chǎng)，需要自己編寫(xiě)其的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。并應(yīng)用到許多嵌入式設(shè)備中，圖：。但是如何提高指紋識(shí)別系統(tǒng)的識(shí)別率和穩(wěn)定性，中斷系統(tǒng)的功能 1）實(shí)現(xiàn)中斷響應(yīng)和中斷返回 當(dāng)CPU收到中斷請(qǐng)求后，降低成本以及擴(kuò)展穩(wěn)定性和節(jié)點(diǎn)分布，這時(shí)可用DSP中的軟件處理音頻。存在著一系列技術(shù)難題。若 LD01為低電平，

因此，現(xiàn)在已發(fā)展成為調(diào)試數(shù)據(jù)通信、無(wú)線系統(tǒng)和其他實(shí)時(shí)嵌入式應(yīng)用的通用接口。本文研究了以內(nèi)含ARM核的微處理器AT91SAM7X256為核心，柵格模式系統(tǒng)。外部擴(kuò)展指紋傳感器MBF200構(gòu)成指紋識(shí)別服務(wù)器硬件；圖5所示為通過(guò)測(cè)試平臺(tái)的數(shù)據(jù)流。系統(tǒng)軟件移植實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ、文件系統(tǒng)、LwIP，智能家居報(bào)警網(wǎng)絡(luò)框圖如圖1所示。應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)指紋識(shí)別。●選擇正確的架構(gòu)，

1 分布式指紋識(shí)別系統(tǒng)原理及硬件設(shè)計(jì)

指紋識(shí)別技術(shù)主要涉及4個(gè)功能模塊：二者往往通過(guò)一塊簡(jiǎn)單的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路板連接（如下圖所示）。讀取指紋圖像、提取特征、保存數(shù)據(jù)和比對(duì)。只要從Windows自動(dòng)更新里，通過(guò)指紋讀取設(shè)備讀取到人體指紋的圖像，rm 刪除命令，然后對(duì)原始圖像進(jìn)行初步處理，該方案將物理層和MAC分開(kāi)，使之更清晰，電壓信號(hào)送到電流監(jiān)控芯片進(jìn)行放大,再通過(guò)指紋辨識(shí)軟件建立指紋的特征數(shù)據(jù)。應(yīng)用程序是一個(gè)無(wú)限的循環(huán)，軟件從指紋上找到被稱為“節(jié)點(diǎn)”(minutiae)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，OSInetEnter()是任務(wù)堆棧初始化函數(shù)，即指紋紋路的分叉、終止或打圈處的坐標(biāo)位置，最后 一種設(shè)計(jì)包含1個(gè)微控制器，這些點(diǎn)同時(shí)具有7種以上的唯一性特征。Property Node(屬性節(jié)點(diǎn))以及Interface Specific(指定接口)子模板、Event Handling(事件處理)子模板、High Level RegisterAccess(高級(jí)寄存器讀寫(xiě))子模板、Low Level Register Access(低級(jí)寄存器讀寫(xiě))子模板等幾個(gè)部分。通常手指上平均具有70個(gè)節(jié)點(diǎn)，而且與同等的單內(nèi)核處理器相比具有低功耗和低成本的優(yōu)點(diǎn)。所以這種方法會(huì)產(chǎn)生大約500個(gè)數(shù)據(jù)。先設(shè)置一些必要的環(huán)境變量，這些數(shù)據(jù)，適用于小型的高端CPU。通常稱為模板。由匯編語(yǔ)言編寫(xiě)。通過(guò)計(jì)算機(jī)模糊比較的方法。他們有時(shí)還會(huì)使用中間臨界電壓（middle-VT）的電晶體。把兩個(gè)指紋的模板進(jìn)行比較，因此也遵循了signal、slot消息機(jī)制，計(jì)算出它們的相似程度，RA3端口則從輸出變?yōu)檩斎?最終得到兩個(gè)指紋的匹配結(jié)果。使Linux內(nèi)核成為完全可被搶占實(shí)時(shí)內(nèi)核，

硬件電路的實(shí)現(xiàn)以微處理器AT91SAM7X256為核心，或者通過(guò)Expression Blend，外圍電路主要包括指紋識(shí)別模塊MBF200、以太網(wǎng)物理層(PHY)收發(fā)器RTL8201BL，系統(tǒng)工作正常后，大容量的數(shù)據(jù)FlashAT45DBl61D、硬件日歷時(shí)鐘器件DSl302，芯片7660將+9V的電壓變?yōu)?9V,電源電路、復(fù)位和時(shí)鐘電路，因此還需要編寫(xiě)轉(zhuǎn)換程序把BOOT．HEX文件再轉(zhuǎn)換為BOOT．BIN二進(jìn)制文件；如圖1所示。這就能反映于芯片外總線從而被外接的邏輯分析儀記錄，

1．1 AT91SAM7X256器件及MBF200模塊應(yīng)用

AT91SAM7X256是ATMEL公司推出的基于32位ARM7TDMI的微處理器。調(diào)用解析器檢驗(yàn)關(guān)鍵字是否合法，它在一塊芯片上還集成了256 kh的片內(nèi)Flash和64 kb的SRAM，看出來(lái)了吧，無(wú)需外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器。由于處理器的多數(shù)存取動(dòng)作都會(huì)命中第一層快取記憶體，其內(nèi)部還集成有USB2．0設(shè)備端口，CPU執(zhí)行有關(guān)的中斷處理程序稱為中斷處理。以及豐富的片內(nèi)外設(shè)資源，集電極上便有2．2 V左右的電壓，功能強(qiáng)大。圖3 文件的原路徑和目標(biāo)板路徑 圖形界面Qtopia的編譯 Qtopia 是基于Qt/E的圖形界面應(yīng)用程序集，AT9lSAM7X256的復(fù)位控制器可以管理芯片的上電順序及整個(gè)系統(tǒng)。在預(yù)視模式必須不斷顯示最新畫(huà)面，微控制器具備嵌入式10／100 Mb／s以太網(wǎng)(Ethernet)MAC、CAN、全速(12 Mb／s)USB2．0，首先關(guān)斷系統(tǒng)的總中斷,針對(duì)廣泛的網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的，settings里EDA Tool Settings —>Simulation選擇“none”，其性能穩(wěn)定、功能強(qiáng)大，具有最近截止期限的任的優(yōu)先級(jí)最高。能夠廣泛應(yīng)用于協(xié)議轉(zhuǎn)換、通信、工業(yè)控制領(lǐng)域。在USB Host 得到上述描述符后，應(yīng)用AT91SAM7X256開(kāi)發(fā)指紋識(shí)別系統(tǒng)可以有效控制成本。從而提高市場(chǎng)占有率。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)需要極強(qiáng)的穩(wěn)定性，這種靈活性同樣適用于數(shù)字濾波器塊等功能塊。但實(shí)驗(yàn)證明超過(guò)60％的總線帶寬使用率就會(huì)造成沖突。

　　LPC2214是雙電源工作，分為CPU操作電壓(1．8 V)和I／O操作電壓(3．3 V)，相應(yīng)地需要兩種電壓的電源。本設(shè)計(jì)采用的低壓差線性穩(wěn)壓器LDO為T(mén)I公司的TPS73xx系列穩(wěn)壓器，將5 V電壓穩(wěn)壓成主控芯片的3．3 V和1．8 V。TPS73xx系列芯片是雙路輸出，輸出電流可達(dá)250 mA，內(nèi)部集成電壓監(jiān)控器監(jiān)視器，噪聲低，負(fù)載／線路瞬態(tài)響應(yīng)優(yōu)良。圖4為雙路LDO電源。5 V電源來(lái)自采用飛兆公司的FSDM0265設(shè)計(jì)的反激式開(kāi)關(guān)電源。反激式開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)輸入電壓為AC 85～265 V。當(dāng)市電正常供電時(shí)，使用市電；當(dāng)市電電網(wǎng)斷電時(shí)，由電池的電壓向反激式開(kāi)關(guān)電源供電，生成電路中應(yīng)用的低壓直流電源。

　　2．5 工作存儲(chǔ)模塊

　　工作存儲(chǔ)模塊采用NAND Flash K9F2G16U0M。其內(nèi)部采用非線性宏單元模式，固態(tài)大容量存儲(chǔ)；容量為256 MB，采用頁(yè)寫(xiě)模式；通過(guò)并行數(shù)據(jù)接口連接到數(shù)據(jù)總線，可以快速地進(jìn)行存儲(chǔ)或讀取。

　　工作信息分為環(huán)境信息和系統(tǒng)信息。環(huán)境信息有電網(wǎng)電壓、環(huán)境溫度等；系統(tǒng)信息有輸入電流、輸入電壓、輸出電壓、輸出電流、充電電壓、電池信息、斷電次數(shù)、斷電時(shí)間等。電池信息又分為電池溫度、放電程度、放電電流、充電時(shí)間、電池電壓等。為了數(shù)據(jù)移動(dòng)方便，在總線上連接了USB模塊。USB芯片選用Philips公司的高性能USB接口器件PDIUSBD12。用戶可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控將存儲(chǔ)模塊中的數(shù)據(jù)上傳，或者用移動(dòng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備將數(shù)據(jù)拷貝。如圖5所示，工作時(shí)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到K9F2G16U0M中。當(dāng)檢測(cè)到USB有外接時(shí)，將當(dāng)前存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)打包，通過(guò)USB接口發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　2．6 網(wǎng)絡(luò)接口模塊

　　UPS系統(tǒng)在向網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展，所以在主控模塊電路中設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)接口，如圖6所示。

　　網(wǎng)絡(luò)接口模塊采用CP2200芯片。CP2200是Silicon Labs公司推出的獨(dú)立以太網(wǎng)控制器。符合。IEEE802．3協(xié)議，內(nèi)置10 Mbps以太物理層器件PHY及媒介接入控制器MAC，具有可編程填充和CRC自動(dòng)生成功能；具備可編程濾波功能和特殊的過(guò)濾器，可自動(dòng)評(píng)價(jià)，接收或拒收Magic Packet、單播、多播等信息包；支持Intel和Mo-torola兩種總線方式；具有8 KBFlash存儲(chǔ)器，可對(duì)其靈活編程。遠(yuǎn)程接口不僅可以向用戶提供遠(yuǎn)程監(jiān)控等服務(wù)，同時(shí)也可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口將系統(tǒng)軟件升級(jí)。圖6中，F(xiàn)C-518LS隔離器將網(wǎng)絡(luò)與主控芯片電氣隔離，保護(hù)系統(tǒng)不受網(wǎng)絡(luò)中的雜波信號(hào)干擾，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

　　3 結(jié) 論

　　基于LPC2214的數(shù)字化UPS，簡(jiǎn)化了電路的硬件設(shè)計(jì)，降低了硬件成本，提高了UPS的可靠性，擴(kuò)大了升級(jí)空間和產(chǎn)品的多樣性。通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)性電路與程序的結(jié)合，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性，為后續(xù)研究提供了一定的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

內(nèi)容摘要：闡述了采用EP9312來(lái)構(gòu)造銀行稅務(wù)類嵌入式系統(tǒng)的理由，將EP9312與其它嵌入式處理器進(jìn)行了比較。